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EP3043893B1 - Membranfilter und verfahren zum filtern - Google Patents

Membranfilter und verfahren zum filtern Download PDF

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Publication number
EP3043893B1
EP3043893B1 EP14766150.8A EP14766150A EP3043893B1 EP 3043893 B1 EP3043893 B1 EP 3043893B1 EP 14766150 A EP14766150 A EP 14766150A EP 3043893 B1 EP3043893 B1 EP 3043893B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane
gas
liquid
membrane filter
membrane carrier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP14766150.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3043893A1 (de
Inventor
Dirk Volmering
Klaus Vossenkaul
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Membion GmbH
Original Assignee
Membion GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Membion GmbH filed Critical Membion GmbH
Publication of EP3043893A1 publication Critical patent/EP3043893A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3043893B1 publication Critical patent/EP3043893B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/08—Prevention of membrane fouling or of concentration polarisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14—Ultrafiltration; Microfiltration
    • B01D61/18—Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B01D63/024—Hollow fibre modules with a single potted end
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B01D63/04—Hollow fibre modules comprising multiple hollow fibre assemblies
    • B01D63/043—Hollow fibre modules comprising multiple hollow fibre assemblies with separate tube sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/08—Flow guidance means within the module or the apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/20—Specific housing
    • B01D2313/201—Closed housing, vessels or containers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/26—Specific gas distributors or gas intakes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2315/00—Details relating to the membrane module operation
    • B01D2315/06—Submerged-type; Immersion type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
    • B01D2321/18—Use of gases
    • B01D2321/185—Aeration
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the invention relates to a membrane filter for filtering a liquid to be filtered with a downwardly open, permeable by a gas and the liquid foot member having a tubular jacket and precisely therein a membrane carrier, wherein the membrane carrier is connected to the jacket via at least one anchor point Hollow fiber membranes, each with a lumen, into which a liquid permeate from the liquid to be filtered is affixed at the top of the membrane support, a circumferentially closed tube surrounding the hollow fiber membranes above the shell, a gas inlet for introducing the gas into the base at least one permeate collection space connected to the lumens of the hollow fiber membranes for collecting the permeate from the hollow fiber membranes, at least one permeate outlet for discharging the permeate from the at least one permeate collection space, and at least one downwardly open flow space e.g.
  • the jacket and the membrane support for flowing through the liquid having an outlet at the top for discharging the liquid into the tube, wherein the at least one flow space in each horizontal section through the membrane support adjacent both the jacket and the membrane support and the annular gap as the Membrane support surrounds, which is interrupted only by the at least one anchor point, wherein a height of the flow space is defined by an overlap region of a height of the membrane support and a height of the shell, and wherein the membrane support the foot element except for the at least one flow space for the flow of the liquid completely closed from bottom to top.
  • the invention further relates to a method for filtering a liquid to be filtered in such a membrane filter, wherein the liquid flows into the base element, flows through the at least one flow space and flows around the membrane carrier, a gas flows through the gas inlet into the base member, the liquid only through the outlet at the top Flows foot element and flows only through this in the tube, the gas flows out at the top of the foot element, flows into the tube and rises in the tube, thereby generating an upward movement of the liquid in the membrane filter, the rising liquid and the gas flush the hollow fiber membranes outside, a pressure difference is applied between an outside of the hollow fiber membranes and lumens of the hollow fiber membranes, due to which a liquid permeate is filtered from the liquid and flows into the lumens of the hollow fiber membranes and the permeate is collected from the lumens and flows out of the membrane filter.
  • a membrane filter with the features described above is made WO-02/22244-A1 in which one of the inventors was also involved.
  • the well-known membrane filter is designed for the filtration of solids-rich wastewaters, such as those found in biological wastewater treatment plants in membrane bioreactors (MBR).
  • MLR membrane bioreactors
  • the membrane filter can either be immersed in the tanks of the sewage treatment plant or provided with supply and discharge pipelines, be set up dry.
  • the driving force for the filtration is realized in most cases over a permeat mitral valve, but can be realized with the dry set up variant also over a small feedside (rohigan supraen) overpressure.
  • the hollow fiber membranes have a diameter of less than 5 mm, usually 0.5 to 3 mm and have a permeability of microfiltration membranes or ultrafiltration membranes.
  • the use of hollow fiber membranes for reverse osmosis or nanofiltration is also possible.
  • the membrane filter is rinsed continuously or at periodic intervals.
  • Commonly used methods for physical rinsing of the membrane filters operate with a permeate backwash of the hollow fiber membranes with liquid or gas combined with a gas bubble rinse on the outside of the hollow fiber membranes.
  • gas bubbles are introduced from below into the membrane filter, which then ascend along the hollow-fiber membranes and move them in the liquid to be filtered. With the rising of the gas bubbles, an upward flow of the liquid is always generated.
  • the shearing force of the two-phase flow of gas and liquid has a high turbulence, which Pads are detached from the membranes and rinsed out.
  • air is usually used as the gas.
  • the so-called mammoth pumping effect ie the upward flow of the liquid through the membrane filter induced by ascending gas bubbles, has a particularly high cleaning effect on the hollow fiber membranes when they are surrounded by a tube closed in the circumference, because thereby keeping the gas bubbles in the membrane filter, ie in the immediate vicinity of the hollow fiber membranes become.
  • the positive effect of the tube is in the background of the invention, inter alia in JP-2003-024937 and US-2006/0273007 A1 described.
  • hollow-fiber membranes of the membrane filter which can be used in immersed or dry-mounted versions are fastened in exactly one membrane carrier, which is connected via 6 anchor points to a tubular jacket of a foot element.
  • the membrane filter has a permeate collection space to which the hollow fiber membranes are connected.
  • the hollow fiber membranes are individually closed at the top.
  • the foot member in this membrane filter on a gas inlet, which is connected via a gas passage to a mouthpiece which projects between the hollow fiber membranes.
  • the gas is introduced above the membrane carrier between the hollow fiber membranes in the liquid to be filtered. Due to the mammoth pump effect of the injected gas, the liquid is sucked from below through 6 holes between the anchor points of the foot element. The holes form flow spaces in the foot element, which are located between the membrane carrier and the jacket.
  • the liquid flows through the module base in these flow spaces and then rises after mixing with the gas introduced at the top of the module base together with this in the membrane filter before the gas and the liquid flow out of the top of the membrane filter.
  • this membrane filter Another characteristic of this membrane filter is that the gas and the liquid are brought separately to the hollow fiber membranes: the liquid flows through the flow spaces between the jacket and membrane carrier from below the membrane carrier and the gas centrally from a mouthpiece from above the membrane carrier to the hollow fiber membranes.
  • the flow chambers connected in parallel are susceptible to blockage as small holes for the passage of the liquid. If there is a deposit or cross-sectional constriction in one of the holes connected in parallel, for example due to alluvial foliage or fibrous connections, then the flow velocity is reduced in this bore and the risk of further blocking increases.
  • Such systems of flow through parallel connected small holes are therefore referred to in the process technology as unstable: an incipient blockage in a flow channel accelerates itself and leads to a complete blocking of the corresponding flow channel, if the flow of sufficient alternative flow paths are open. Starts e.g. in the known membrane filter with 6 parallel holes to block one of the holes, the remaining 5 holes can compensate for the reduced flow. With a complete blockage of the hole, the other holes would increase their flow by only 20%.
  • the risk of blocking parallel-connected internally flow channels decreases continuously with decreasing number of channels and increasing channel cross-sections.
  • the third problem of the known membrane filter is the insufficient gas distribution in the scale-up of the system with a central mouthpiece at the top of the membrane support.
  • the central gas bubbles in the middle need an inlet section before they have grown so far in size or have spread horizontally that they reach the entire bundle diameter.
  • this express run becomes longer and it turns out that the maximum diameter of the membrane bundle, which can be gassed evenly, is limited to just under 10 cm. Larger diameters mean that the outer region of the bundle near the lower clamping point is insufficiently cleaned by the energy of the injected air and thus tends to block.
  • a membrane filter having a foot member with a membrane carrier are mounted in the hollow fiber membranes.
  • the membrane filter and the foot element are surrounded by a common tube. However, there is no jacket of the foot member to which the membrane support is connected.
  • the membrane filter has a flow space between the membrane carrier and the tube through which the liquid to be filtered flows. In addition to this flow space, the membrane filter has further passage openings for the liquid to be filtered and the gas in the interior, which, however, do not adjoin both the membrane carrier and the tube. This is especially problematic in parallel flowed through small passage openings, since they are very susceptible to blockage.
  • WO 2011 / 136888A1 describes a membrane filter having a foot member with a membrane support in which hollow fiber membranes are attached.
  • the invention has for its object to provide a membrane filter in which the blocking tendency is reduced.
  • the foot element can be flowed through in sequence from the gas inlet through the at least one flow space to the outlet.
  • the gas is not introduced centrally into the center of the hollow-fiber membranes fastened in the membrane carrier as in the known membrane filter via a separate gas line, but the gas is introduced together with the liquid through the at least one flow space into the outer region of the hollow-fiber membranes.
  • the shear force of the two-phase flow of gas and liquid is also used for the flushing of the membrane support and on the other hand, the gas is also introduced directly into the lower region of the membranes in the edge region of the membrane bundle, so that here the tendency to blockage is reduced.
  • the tube retain the hollow fiber membranes at least 50% of their free length, i. surrounds their length in the liquid. This ensures that the mammoth pump effect in the tube generates a sufficiently strong flow in the flow space to also flush the membrane carrier therein.
  • a membrane bundle with dense packing of the hollow fiber membranes in a circular cross-section is limited in diameter.
  • the practice of using hollow fiber modules in membrane bioreactors shows that the shearing force of the Two-phase flow of liquid and gas depending on the operating conditions a maximum of about 2.0 - 2.5 cm into a bundle of hollow fiber membranes into effect. Therefore, the outer diameter of the membrane bundle with a circular cross-section is limited to about 4-5 cm.
  • the at least one flow space has bulges projecting into the membrane carrier according to the invention.
  • the width of the cross-sectional area densely packed with membranes can be reduced to an extent that can be flushed from outside via the shear force of the two-phase flow of gas and liquid.
  • the simplest form of the bulges are bulges in the purely radial direction.
  • the diameter of the membrane carrier can be increased by the bulges to about 8 - 10 cm.
  • the membrane carrier For larger diameters, other shapes of the bulges and thus geometries of the membrane carrier are conceivable, such as e.g. a cloverleaf of the membrane carrier or a membrane carrier, in which a plurality of circular membrane bundles are arranged.
  • the membrane carrier has fingers, which are formed by the bulges and which are connected via an armature of the membrane carrier. These are preferably arranged in parallel.
  • the term finger refers to the feature that the fingers have a uniform width in a horizontal section through the membrane carrier. However, this does not mean that they also have a uniform height in vertical orientation, or that this height somehow correlates with the width.
  • the fingers offer the opportunity to make the width of the hollow fiber membranes equipped area uniform and free to choose. It proves to be advantageous to make the width of the fitted with membranes area of the fingers between 2 and 5 cm, since then optimal flushing of the hollow fiber membranes equipped region of the fingers is also ensured near the clamping.
  • the membrane carrier is connected via a maximum of two anchor points with the jacket, which are in extension of the armature. This has especially advantages for the production of the foot element as an injection molded part.
  • the membrane carrier is connected to the jacket only via an anchor point.
  • the entire amount of liquid and gas flowing through the membrane filter flows together through this one flow space and then through its outlet into the tube which adjoins the shell of the foot element at the top.
  • a higher shear force can be achieved for example by increasing the amount of gas and thus the turbulence of the flow.
  • the advantage of the possibility of free purging of partially blocked flow channels is not the case with several internally-flown channels connected in parallel. If a channel is partially blocked in such systems, it has the tendency to completely block due to the then lower flow rate. In order to clean a completely blocked flow channel, a mechanical flushing of the membrane filter via the two-phase flow of gas and liquid alone is sufficient usually not out. In such cases, a chemical intensive cleaning of the membrane filter up to a manual mechanical cleaning is often required.
  • the possibility of free purging of partially blocked flow channels increases with decreasing number of parallel flow channels. Therefore, the choice of a single flow channel is advantageous. However, this is also limited in the membrane filter according to the invention.
  • the membrane filter according to the invention is favorable in the design of the membrane filter according to the invention with fingers in the membrane carrier to make uniform the width of the fitted with hollow fiber membrane area of the fingers on both sides of the anchor and in the anchor and the small area between the fingers above the Anchor not to equip with membranes.
  • the membrane carrier is completely separated from the shell in each of the horizontal cuts above the at least one anchor point. If the mantle reaches the top of at least the upper end of the membrane support, the membrane support is completely in the outlet in this horizontal cut embedded.
  • the membrane carrier does not necessarily have to be continuous at the top of the foot element, because in the example of the membrane carrier with fingers and not formed to the outlet anchor between the fingers, the cross section in the outlet on several separate fingers, but they are all part of a membrane carrier.
  • the at least one flow space forms at least one flow channel in at least one of the horizontal sections, which has a uniform width over more than 80% of its length. Since rounding off the outer edges of the membrane carrier are advantageous at the points of the bulges from a fluidic point of view, the width of the flow channel at these points differs slightly from the uniform width.
  • the membrane carrier in the horizontal sections has a downwardly decreasing cross-section.
  • oblique leading edges on the membrane carrier in which located in the liquid to be filtered impurities such.
  • leaves or coarser particles can slide off.
  • the bevels are designed such that the mentioned contaminants are discharged on the membrane carrier to the outside in the flow space. This can be clearly illustrated by the example of the fingers: if the flow of a finger on the membrane support from below fibrous connections on the leading edge of the finger, so These will slide due to the oblique design of the leading edge of the fingers to the end of the finger and then slide off the finger into the flow channel and be flushed out of the module.
  • the foot element has the gas inlet for introducing the gas into the foot element.
  • the gas inlet is located below the membrane carrier. It is advantageous if the gas inlet is arranged directly below the membrane carrier, because thereby the Einblastiefe of the gas is minimized, which has a favorable effect on the energy consumption of the fumigation.
  • Membrane filters known in the background of the invention have, for example, a vertically aligned mixing chamber for producing a gas-liquid mixture.
  • this has the disadvantage that it increases the Einblastiefe of the gas and thus the energy requirements.
  • At 2 m water depth 20 cm additional blowing depth due to a mixing chamber already means a 10% higher energy requirement.
  • WO 2008/144826 A1 Such a system with vertically extended mixing chamber for mixing gas and liquid is described.
  • the gas inlet from below allows gas into the foot element without itself being part of the foot element.
  • the hollow-fiber membranes are individually closed at the top and float with their upper end freely in the flow of the liquid to be filtered.
  • contaminants such as in particular hair and fibrous compounds can be flushed out of the membrane filter even if they have been wound around the hollow-fiber membranes during the flow through the filter.
  • the foot element has the permeate collection space which is connected to the lumens of the hollow-fiber membranes and the permeate outlet for discharging the permeate from the membrane filter.
  • the tube with a closed circumference extends at least to the upper end of the hollow fiber membranes.
  • a membrane filter according to the invention has a tube that projects beyond the upper end of the hollow-fiber membranes. This ensures that vertical flow components predominate in the upper region of the hollow-fiber membranes, which in particular favors stripping and rinsing out of contaminants from the filter.
  • the membrane filter according to the invention has, in addition to the base element, a head element in which the hollow fiber membranes are attached at the top.
  • the head element may contain a permeate collecting space connected to the lumen of the hollow-fiber membranes and a permeate outlet.
  • the foot element can have a permeate collection space and a permeate outlet.
  • each having a permeate collection space and a permeate outlet in the head element and the foot element is structurally complex and therefore useful only in the case when the length or the lumen diameter of the hollow fiber membranes limit the removal of the resulting permeate due to the pressure loss in the lumen.
  • the removal of the permeate on both sides of the hollow fiber membranes tolerates a greater length of the hollow fiber membranes and a smaller diameter of the lumen of the hollow fiber membranes, whereby higher packing densities in the membrane filter can be realized.
  • the head element has a membrane carrier with a similar cross-section as the foot element in the outlet.
  • the membrane filter according to the invention with a head element, it is useful to largely free the liquid from impurities before being admitted into the membrane filter, which in the case of membrane bioreactors is usually achieved by a fine screening of the sludge to arrest the contaminants between the hollow fiber membranes below to minimize the head element.
  • the pipe is not performed with closed circumference up to the head element, which is possible only for the submerged operation of the membrane filter.
  • the simplest form of a membrane filter according to the invention in which the tube is not guided to the head element, leaves open the distance between the upper end of the tube and the head element. As a result, the liquid can already flow out of the membrane filter before reaching the head element, which reduces the tendency of the head element to block.
  • the uniform distribution of the gas over the cross section of the flow space in the base element is achieved in an inventive embodiment of the membrane filter via a gas distribution system for introducing the gas at several points below the membrane carrier in the liquid.
  • the membrane carrier completely closes off the foot element, except for the flow space, not only for the flow through the liquid but also for the flow through the gas.
  • the gas flows through the gas inlet into the at least one flow space, and then flows through the gas together with the liquid, the foot member in the at least one flow space between the jacket and the membrane support and through the outlet flows into the tube, wherein the at least one flow space in the membrane carrier according to the invention has protruding bulges.
  • a method according to the invention is carried out in a membrane filter according to the invention and is likewise distinguished by the advantages mentioned there.
  • the liquid and the gas completely bypass the membrane carrier in at least one of the horizontal sections through the membrane carrier.
  • Any connection point between the membrane carrier and the jacket which are referred to as anchor points in the membrane filter according to the invention, involves the risk that particles or solids of the liquid will be deposited in the flow shadow above this connection point and lead to blockages in the region of the hollow-fiber membranes located above. This is particularly the case when the anchor points extend vertically to the outlet of the foot element in its full width. This risk can be avoided by tapering the anchor points in the vertical direction upwards and ending before the outlet of the foot element. In the area of the rejuvenation, the two-phase flow of gas and liquid can expand into the flow shadows of the anchor points and thus completely bypass the membrane support above the anchor points.
  • the membrane filter can be immersed in the liquid.
  • the membrane filter is then surrounded by the liquid and due to the mammoth pumping effect of the gas introduced into the foot element and ascending in the membrane filter, the liquid is sucked from below into the base element and flows through the filter unit together with the gas before they both flow out of the top of the filter unit.
  • the liquid can be supplied by means of a first liquid line to the foot element and discharged from the top of the membrane filter by means of a second liquid line, wherein the second liquid line is connected above the hollow fiber membranes to a tube which surrounds the hollow fiber membranes to the foot element above.
  • a filter unit according to the invention is also referred to as "dry set up" operation.
  • the gas introduced creates a strong mammoth pump effect in the membrane filter according to the invention, which in particular also generates a high flow velocity in the flow space of the base element due to the tube adjoining the jacket of the foot element above. This is an additional driving force to independently flush deposits and incipient blockages in the flow space.
  • a plurality of membrane filter according to the invention can be mounted on a common frame parallel to each other.
  • the permeate outlets of the individual membrane filters are connected to pipelines, which serve to divert the resulting permeate from the membrane filters.
  • the gas inlets are also connected to pipelines, which serve to supply the gas into the membrane filter.
  • the gas supply lines are individually equipped with throttles to equalize the air supply to the individual membrane filter. It is advantageous in this case to position the throttles in the gas supply lines above the liquid surface, in order to avoid flooding of the throttle cross-sections even when the filter is turned off and thus to preclude clogging of the throttles by solid constituents of the liquid.
  • FIGS. 1a to 1e show sections and views of a first membrane filter 1.
  • This has a foot member 2 with a shell 3 and a membrane support 4 located therein, in the above hollow-fiber membranes 5 are attached.
  • To the jacket 3 of the foot member 2 includes a cylindrical tube 6 at the top.
  • the hollow fiber membranes 5 are fabric reinforced and have an outer diameter of 2.5 mm. They are individually closed at the upper end 7. The tube 6 projects beyond the upper end 7 by a length 8 of 10 cm. The hollow-fiber membranes 5 are poured sealingly downwards in the membrane carrier 4 via a resin layer 9, with lumens of the hollow-fiber membranes 5 remaining open.
  • the membrane filter 1 has a height 10 of 200 cm, the foot member 2 has a height 11 of 12 cm and the membrane support 4 has a height 12 of 11 cm.
  • the foot member 2 and the tube 6 both have an outer diameter of 75 mm.
  • the tube 6 has an inner diameter of 68 mm.
  • the foot member 2 further includes a gas inlet 13 and a permeate outlet 14.
  • the membrane carrier 4 is connected via an anchor point 15 with the jacket 3.
  • the foot member 2 has between shell 3 and membrane support 4 on a flow chamber 16, which is formed as an annular gap with a width of 9 mm, the membrane support 4 surrounds and is interrupted only by the anchor point 15.
  • the flow space 16 adjoins both the jacket 3 and the membrane carrier 4 in each horizontal section.
  • the flow space 16 is limited in the vertical direction by the overlap region of the height 11 of the base element 2 and the height 12 of the membrane carrier 4.
  • the foot member 2 is open at the bottom and can be flowed through.
  • the flow space 16 has an outlet 17 at the top in the tube 6.
  • the gas inlet 13 is connected to a formed on the underside of the membrane carrier 4 gas distribution system 18 having a downwardly open and closed at the top pan 19 having a wall 20 with downwardly open vertical slots 21.
  • the trough 19 has in each case centrally between adjacent Slits 21 in a vertical, orthogonal to the wall 20 extending section on an inner edge 22 which is an oblique edge over the entire height of the slots 21, the angle 24 to the horizontal is 40 °.
  • the inner edge 22 in the region of a lower half 23 of the slots 21 at each point have an angle 24 to the horizontal of less than 60 °.
  • the foot element 2 also has a permeate collection space 25 into which the lumens of the hollow fiber membranes 5 open.
  • the permeate collection space 25 is connected to the permeate outlet 14 of the foot member 2.
  • Figure 1d shows a plan view of the foot member 2 with the hollow fiber membranes 5 without the tube 6.
  • the number of illustrated hollow fiber membranes 5 does not correspond to the actual number of hollow fiber membranes 5.
  • Figure 1e shows a view of the foot member 2 from below.
  • the number of slots 21 is 6. These are evenly distributed over the circumference of the tub 19 in the wall 20.
  • the permeate outlet 14 and the gas inlet 13 are in extension of the anchor point 15 radially outward.
  • FIGS. 2a to 2c show the flow conditions in the foot member 2 and in the lower part of the tube 6 of the first membrane filter 1 during the filtration operation.
  • FIG. 2a a first vertical section through the lower part of the membrane filter 1, wherein the section extends through the anchor point 15.
  • a gas 26 is introduced into the base element 2 and the flow space 16 through the gas inlet 13.
  • the gas 26 first flows into the trough 19 via the gas inlet 13.
  • the gas 26 fills the trough 19 to a portion of the height of the slots 21 and forms a gas cushion 27 in the trough 19.
  • the gas 26 also fills the slots 21 to the height of the gas cushion 27 and finally flows over the part filled with gas 26 the slots 21 laterally from the trough 19, and from the gas cushion 27 and thereby in a liquid to be filtered 28 a.
  • the hollow fiber membranes 5 float only fixed down without hindrance freely in the liquid 28. Thus, hair, fibrous compounds or other contaminants from the liquid 28 can not set in this area.
  • the gas 26 During the lateral flow through the slots 21, the gas 26 generates a parallel to the lateral gas flow radially outward liquid flow at the phase interface below the gas cushion 27. This flows between each adjacent slots 21, the inner edge 22 of the wall 20 at each point in the area the slots has an angle to the horizontal of less than 60 °. At this oblique inner edge hairs and fibrous compounds contained in the liquid to be filtered 28 are stripped by the outward gas flow and liquid flow, whereby the risk of setting these impurities in the membrane filter 1 is reduced.
  • the gas 26 After flowing through the slots 21, the gas 26 rises by its buoyancy in the membrane filter 1 and thereby generates an upward flow of the liquid 28. This is sucked into the membrane filter 1 only from below.
  • the gas 26 and the liquid 28 flow through the flow space 16 of the foot member 2, then flow together through the outlet 17 into the tube 6 and the top of the tube 6 from the membrane filter 1 from.
  • the hollow fiber membranes 5 Due to the high shear force effect of the two-phase flow of liquid 28 and 26 gas rising through the Mammutpumpen bin in the membrane filter 1, in the flow chamber 16 of the base member 2 of the membrane carrier 4 and in the tube 6, the hollow fiber membranes 5 rinsed outside, and thereby deposits and deposits from the surfaces the membrane carrier 4 and the hollow fiber membranes 5 rinsed and discharged from the membrane filter 1.
  • the gas inlet 13 is fluidically connected to the flow space 16 within the foot member 2, so that the foot member 2 from the gas inlet 13 through the trough 19, through the slots 21 and through the flow space 16 to the outlet 17 can be flowed through.
  • FIG. 2b shows a further, but offset by 90 ° section through the lower part of the first membrane filter 1.
  • the anchor point 15 is not cut, but two of the slots 21. It can be seen the lateral outflow of the gas 26 through the slots 21 from the tub 19, or from the gas cushion 27.
  • the permeate collection space 25, but not the permeate outlet 14, can be seen in this section.
  • Figure 2c shows a further section through the lower part of the first membrane filter 1, which in this case only cuts the shell 3 and otherwise passes through the flow space 16, so that the outside of the membrane support 4 is visible. In this case, the lateral outflow of the gas 26 can be seen from the slots 21.
  • FIG. 3 shows the first membrane filter 1 in dive operation. Gas bubbles in the liquid 28 are not shown.
  • the membrane filter 1 is immersed in a tank with the liquid to be filtered 28, so far that a supernatant 30 of 15 cm above the membrane filter 1 to the surface of the liquid 28 remains.
  • the gas 26 is guided from above the surface of the liquid 28 to the gas inlet 13.
  • a throttle 32 is installed in the gas supply line 31. This is shown as an example at this point and is only required if several membrane filters 1 are operated in parallel and supplied with gas 26 at the same time.
  • the throttles 32 in the gas supply lines 31 then serve to equalize the amounts of gas 26 flowing into the individual membrane filters 1.
  • the throttle 32 is disposed above the surface of the liquid to be filtered 28.
  • a Permeate line 33 Over a Permeate line 33, the permeate 24 resulting in the membrane filter 1 is derived from the permeate 14.
  • FIG. 4 shows the first membrane filter 1 in dry set up operation. Gas bubbles in the liquid to be filtered 28 are not shown.
  • the liquid 28 is supplied to the membrane filter 1 via a first liquid line 34. From the liquid 28, a permeate 29 is filtered, leaving the permeate outlet 14. Through the gas inlet 13, the gas 26 is supplied. Via a second liquid line 35, the gas 26 and the liquid 28 minus the permeate 29 are discharged.
  • the second liquid line 35 is connected at the top to the tube 6, which projects beyond the hollow-fiber membranes 5.
  • FIGS. 5a to 5g show views and different sections of a second membrane filter 36 according to the invention.
  • FIG. 5a shows a longitudinal section through the second membrane filter 36.
  • This has a down to a liquid to be filtered 37 out open, by a gas 38 and the liquid 37 through-flow foot member 39 which has a tubular jacket 40 and exactly one membrane carrier 41 therein wherein the membrane carrier 41 is connected to the jacket 40 via two anchor points 42.
  • Hollow-fiber membranes 43 each having a lumen into which a liquid permeate 44 can be filtered out of the liquid 37, are fastened to the top of the membrane carrier 41.
  • the membrane filter 36 has a circumferentially closed tube 45 that surrounds the shell 40 of the foot member 39 above then the hollow fiber membranes 43, and a gas inlet 46 for introducing the gas 38 into the base member 39.
  • the foot member 39 further includes a permeate collecting space 47th which is connected to the lumens of the hollow fiber membranes 43, for collecting the permeate 44 from the hollow fiber membranes 43 and a permeate outlet 48 for discharging the permeate 44 from the permeate collecting space 47.
  • the foot member 31 has a height 49 of 12 cm and the membrane filter 36 has a height 50 of 212 cm.
  • the hollow fiber membranes 43 are below in the membrane carrier 41 via a resin layer 51 against the liquid to be filtered 37 sealingly poured, wherein the lumens of the hollow fiber membranes 43 remain open.
  • the number of hollow-fiber membranes 43 shown does not correspond to the actual number of hollow-fiber membranes 43.
  • the hollow-fiber membranes 43 are individually closed at the top and float freely up to the lower clamping in the liquid 37 to be filtered. They are completely enclosed by the tube 45.
  • the tube 45 protrudes 10 cm beyond the upper ends 52 of the hollow fiber membranes 43.
  • FIG. 5b shows a plan view of the foot member 39 of the second membrane filter 36 and FIG. 5c a perspective view with cut jacket 40.
  • the foot member 39 has a downwardly open flow space 53 for flowing through the liquid to be filtered 37, the top has an outlet 54 for discharging the liquid to be filtered 37 in the Tube 45.
  • the flow space 53 has bulges 55 which protrude into the membrane carrier 41 up to an armature 56 of the membrane carrier 41.
  • six fingers 57 are formed on the membrane carrier 41, which are connected via the armature 56 of the membrane carrier 41.
  • the two anchor points 42 are in extension of the armature 56, wherein through one of the gas inlet 46 and through the other of the permeate 48 extends.
  • the two anchor points 42 are the only connections of the membrane support 41 with the shell 40.
  • the assembly of the membrane support 41 with the hollow fiber membranes 43 takes place in the second membrane filter 36 only in the area of the fingers 57, wherein the area between the fingers above the armature 56 for manufacturing reasons left out.
  • the hollow fiber membranes 43 of the second membrane filter 36 are fabric reinforced and have an outer diameter of 2.5 mm.
  • the flow space 53 forms two continuous flow channels 58, which have a uniform width 59 of 6 mm in the annular gap in the outer region of the fingers 57. Also between the fingers 57 has the Flow channel 58 the same width 59 of 6 mm. Since the edges of the fingers 57 are rounded off from the fluidic point of view, the two flow channels 58 at the edges of the fingers 57 a slightly greater width than 6 mm. Overall, the two flow channels 58 to more than 80% of their length, the uniform width 59 of 6 mm.
  • the flow space 53 adjoins both the shell 40 and the membrane support 41 in each horizontal section and is only interrupted by the two anchor points 42.
  • the membrane carrier 41 completely closes off the foot element 39 except for the flow space 53, i. the foot element 39 has no further flow channels for the liquid 37 or the gas 38 to be filtered except for the flow space 53.
  • the diameter 60 of the foot member 39 of the second membrane filter 36 is 208 mm.
  • FIG. 5d shows a section through the foot member 39 of the second membrane filter 36, such that the armature 56 is cut exactly in the flow space 53 between two fingers 57.
  • the flow space 53 is limited in the vertical direction by the overlap region of the height 49 of the foot member 39 and a height 61 of the membrane carrier 41.
  • a gas distribution system 62 is formed, the height of which is disregarded in the definition of the flow space 53.
  • the flow space 53 ends at the top in the outlet 54.
  • the fingers 57 are chamfered downwardly in both horizontal directions, whereby the membrane carrier 41 has a downwardly decreasing, horizontal cross-sectional area.
  • the membrane carrier 41 has a downwardly decreasing, horizontal cross-sectional area.
  • FIG. 5f shows a perspective view of the foot member 39 of the second membrane filter 36 obliquely from below and FIG. 5g one half of the foot member 39 with cut-over jacket 40th
  • the foot element 39 has the gas inlet 46.
  • This is connected to a formed on the underside of the membrane support 41 gas distribution system 62 having a downwardly open and closed at the top of the trough 63 having a wall 64 with downwardly open vertical slots 65 for distributing the gas 38 into the liquid to be filtered 37.
  • the width of the trough 63 corresponds to the width of the armature 56 and is formed on the underside thereof.
  • the gas inlet 46 connects directly to the side of the tub 63.
  • a gas duct 66 is connected to the outside of the tub 63, which is formed on the underside of the fingers 57, for passing the gas 38 away from the tub toward the casing 40.
  • the other slots 65 to which no gas ducts 66 connected respectively open between two fingers 57, and at the outer fingers 57 between them and the jacket 40 on the outside of the armature 56.
  • the trough 63 on each of its two longitudinal sides a wall 64, each having 13 slots 65.
  • the slots 65 are wider down to compensate for even larger fluctuations in the amount of gas 38 supplied.
  • the width of the slots 65 and thus also their cross-sectional area are different sizes. Thereby, the amount of gas 38 flowing through the slots 65 is adjusted to the surface of the hollow fiber membranes 43 to be purged with gas 38. Accordingly, the slots 65 below the longer fingers 57 in the center of the foot member 39 wider Slots 65 as the outer slots 65 below the shorter fingers 57. The narrowest slits 65 are those that open between the fingers 57. Due to the configuration of the gas distribution system 62 with slots 65 and gas guide channels 66, the gas 38 flows around the membrane carrier 41 after flowing into the liquid 37 to be filtered.
  • the foot member 39 is flowed through by the gas inlet 46 through the trough 63, through the slots 65 and through the flow space 53 to the outlet 54.
  • the membrane carrier 41 closes off the foot element 39 except for the flow space 53 not only for the flow through the liquid 37 to be filtered but also for the flow through of the gas 38.
  • FIG. 5h shows only one of the fingers 57 of the second membrane filter 36.
  • the armature 56 can be seen in section and formed on the underside of the trough 63.
  • gas guide channels 66 can be seen on the underside of the finger 57 on both sides of the trough 63 .
  • FIG. 5i shows a section through the gas duct 66 in a section of the foot member 39 of the second membrane filter 36. It can be seen here that the gas ducts 66 are vertically upwardly connected to the slots 65.
  • FIGS. 6a to 6c show views and sections of parts of the trough 63 of the second membrane filter 36th
  • the trough 63 has inside each center between adjacent slots 65 orthogonal to the wall 64 extending vertical ribs 67.
  • Each rib 67 has a downwardly tapering, which tapers on the wall 64 and thus forms an oblique or rounded inner edge 68 of the trough 63.
  • the membrane carrier 41 is flowed around by the gas 38 and the liquid 37 before the mixture of gas 38 and liquid 37 flows around the hollow fiber membranes 43 fastened above in the membrane carrier 41. Due to the high shear force of the two-phase flow, the hollow-fiber membranes 43 and the membrane carrier 41 are flushed on the outside.
  • the foot member 39 is flowed through by the gas 38 from the gas inlet 46 through the trough 63, through the slots 65 and through the flow space 53 to the outlet 54. Since the flow space 53 is always between shell 40 and membrane support 41 and also on the bulges 55 in the Inner region of the membrane filter 36 protrudes, is achieved in this way a uniform over the entire cross-section gassing of the membrane filter 36 while avoiding the flow of small parallel flow chambers. As a result, the blocking tendency of the membrane filter 36 is reduced overall in comparison to the prior art.
  • the second membrane filter 36 can be operated in submerged operation or set up dry.
  • FIGS. 7a to 7d show further variants of inventive membrane filter with a foot element and a head element.
  • FIG. 7a 3 shows a third membrane filter 71 according to the invention. This differs from the first membrane filter 1 in that a closed tube 73, which surrounds hollow-fiber membranes 74 and adjoins a top element 75 at the top, abuts on a foot element 72 at the top.
  • the head element 75 has a jacket 76 and a membrane carrier 77 located therein, which is connected to the jacket 76 only via an anchor point 78.
  • the hollow fiber membranes 74 are poured and sealed open above a resin layer 79 sealing the liquid to be filtered with their lumens.
  • the head member 75 has a permeate collection space 80 fluidly connected to the lumens of the hollow fiber membranes 74 for collecting the permeate and a permeate outlet 81 for discharging the permeate. Furthermore, the head element 75 has a second flow space 82 for flowing through the gas and the liquid to be filtered and outflow from the head element 75.
  • the third membrane filter 71 can be used in immersion mode and in dry set-up operation.
  • FIG. 7b shows a fourth inventive membrane filter 83.
  • This differs from the third membrane filter 71 in that a tube 84, the top of a foot member 85 connects, initially above a pipe attachment 86 with openings 87 connects to the lateral outflow of a portion of the gas and the liquid to be filtered from the tube 84.
  • the tube attachment 86 and the tube 84 are in the fourth membrane filter 83 of a part.
  • a head element 88 which has the same details as the head element 75 of the third membrane filter 71, adjoins the pipe attachment 86 at the top.
  • Another difference from the third membrane filter 71 is the foot element 85, which has no permeate collection space, ie the hollow fiber membranes 89 are closed at the bottom Foot element 85 eing GmbH and fastened.
  • the permeate produced in the hollow-fiber membranes 89 only flows into the permeate collection space 90 of the head element 88, where it is collected and flows out of the fourth membrane filter 83 via a permeate outlet 91. This can only be used in immersion mode owing to the openings 87 in the pipe attachment 86.
  • FIG. 7c shows a fifth membrane filter according to the invention 92.
  • This differs from the third membrane filter 71 in that the tube 93 is not guided to the head element 94, but already ends up with a tube extension 95 above.
  • the head element 94 is thus not connected to the tube 93 and is accordingly not able to flow through it for the liquid to be filtered and the gas designed. It therefore has only one membrane support 96 with hollow fiber membranes 98 fixed to a permeate collection space 97 and a permeate outlet 99 adjoining the permeate collection space 97 for collecting and removing part of the resulting permeate from the hollow fiber membranes 98.
  • the other part of the permeate becomes discharged from an identical to that of the third membrane filter 71 foot element 100.
  • the fifth membrane filter 92 can be used only in dive operation due to the open design between the tube 93 and the head member 94.
  • FIG. 7d shows a sixth membrane filter according to the invention 101.
  • This has a foot 102 and a head 103 which are identical to those of the fourth membrane filter 83 and which are connected via a continuously closed tube 104.
  • the sixth membrane filter 101 according to the invention is for the designed dry-set operation.
  • a first liquid line 105 is connected to the foot element 102 for admitting the liquid to be filtered from below into the base element 102.
  • the head element 103 is adjoined by a second liquid line 106 at the top for discharging the liquid and the gas from the sixth membrane filter 101.
  • FIGS. 8a to 8c show sections through foot elements of three further membrane filters according to the invention with variants of the gas inlet and the height of the flow space, which is formed from the overlap region of the heights of the jacket and membrane carrier.
  • FIG. 8a shows a section through a foot member 107 of a seventh membrane filter according to the invention, in which the foot member 107 has a gas inlet 108 and this is continued on an inner side of the shell 109 as a pipe socket 110 to the middle of the foot member 107 where the gas flows centrally below a membrane support 111 and then flows around it.
  • the jacket 109 of the foot member 107 protrudes above and below the membrane support 111, so that the height 112 of the flow space defined by the intersection region of the heights of the jacket 109 and the membrane support 111 is identical to the height of the membrane support 111 in this case.
  • FIG. 8b shows a section through the foot member 113 of a eighth membrane filter according to the invention, in which the foot member 113 does not have the gas inlet 114.
  • the gas is supplied here separately from the base element 113 from below centrally below the membrane support 115 via the gas inlet 114 and then flows around the membrane support 115.
  • the dimensions of the shell 116 of the foot element 113 are flush with those of the membrane support 115 at the top and bottom so that the height 117 of the flow space in this case with the height of the diaphragm support 115 and the height of the shell 116 matches.
  • FIG. 8c shows a section through the foot member 118 of a ninth membrane filter according to the invention, in which the gas inlet 119 is identical to that of the eighth membrane filter according to the invention.
  • the membrane support 120 of the foot member 118 protrudes above and below the shell 121, so that the height 122 of the flow space defined by the intersection region of the heights of the membrane support 120 and the shell 121 is identical to the height of the shell 121 in this case.
  • FIGS. 9a to 9c show variants of the shape of the membrane carrier in further membrane filters according to the invention. These variants can be realized in all membrane filters according to the invention shown above.
  • FIG. 9a 1 shows a foot element 123 of a tenth membrane filter according to the invention, which has a jacket 124 with a membrane carrier 126 located therein, which is only connected via an anchor point 125 to the jacket 124. Between the jacket 124 and the membrane carrier 126 there is a flow space 127 with bulges 128 in the Membrane carrier 126 into it. The membrane carrier 126 completely closes off the foot element 123 except for the one flow space 127 for the flow through of the gas and the liquid to be filtered.
  • FIG. 9b shows a foot member 129 of an eleventh membrane filter according to the invention, which has a jacket 130 with a membrane support 132 located therein, only via an anchor point 131 to the jacket 130.
  • the membrane support 132 contains 7 membrane bundles 133, six of which are similar to a flower structure around a central membrane bundle 133 are arranged. Between the jacket 130 and the membrane support 132 is a flow space 134.
  • the membrane support 132 completely closes the base element 129 except for the one flow space 134 for the flow through of the gas and the liquid to be filtered.
  • FIG. 9c 1 shows a foot element 135 of a twelfth membrane filter according to the invention, which has a jacket 136 with a membrane carrier 138 which is connected to the jacket 136 via an anchor point 137 and has four fingers 139 which are connected to one another via an armature 140 and at the anchor point 137 are attached.
  • a flow chamber 141 with bulges 142 in the membrane support 138 in, leading to the armature 140 is a flow chamber 141 with bulges 142 in the membrane support 138 in, leading to the armature 140.
  • the membrane carrier 138 completely closes the foot element 135 except for the one flow space 141 for the flow through the gas and the liquid to be filtered.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Membranfilter zum Filtern einer zu filtrierenden Flüssigkeit mit einem nach unten offenen, von einem Gas und der Flüssigkeit durchströmbaren Fußelement, das einen rohrförmigen Mantel und genau einen darin befindlichen Membranträger aufweist, wobei der Membranträger mit dem Mantel über mindestens eine Ankerstelle verbunden ist, oben in dem Membranträger befestigten Hohlfasermembranen mit jeweils einem Lumen, in das ein flüssiges Permeat aus der zu filtrierenden Flüssigkeit filtrierbar ist, einem im Umfang geschlossenen Rohr, das an den Mantel oben anschließend die Hohlfasermembranen umgibt, einem Gaseinlass zum Einlassen des Gases in das Fußelement, mindestens einem Permeatsammelraum, der mit den Lumen der Hohlfasermembranen verbunden ist zum Sammeln des Permeats aus den Hohlfasermembranen, mindestens einem Permeatauslass zum Ablassen des Permeats aus dem mindestens einen Permeatsammelraum und mindestens einem nach unten offenen Strömungsraum zwischen dem Mantel und dem Membranträger zum Durchströmen der Flüssigkeit, der oben einen Auslass aufweist zum Auslassen der Flüssigkeit in das Rohr, wobei der mindestens eine Strömungsraum in jedem horizontalen Schnitt durch den Membranträger sowohl an den Mantel als auch an den Membranträger grenzt und als Ringspalt den Membranträger umgibt, der nur durch die mindestens eine Ankerstelle unterbrochen wird, wobei eine Höhe des Strömungsraums durch einen Überschneidungsbereich einer Höhe des Membranträgers und einer Höhe des Mantels definiert ist, und wobei der Membranträger das Fußelement bis auf den mindestens einen Strömungsraum für die Durchströmung der Flüssigkeit von unten nach oben vollständig verschließt.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Filtern einer zu filtrierenden Flüssigkeit in einem solchen Membranfilter, wobei die Flüssigkeit in das Fußelement einströmt, den mindestens einen Strömungsraum durchströmt und dabei den Membranträger umströmt, ein Gas durch den Gaseinlass in das Fußelement einströmt, die Flüssigkeit nur durch den Auslass oben am Fußelement ausströmt und nur durch diesen in das Rohr einströmt, das Gas oben am Fußelement ausströmt, in das Rohr einströmt und in dem Rohr aufsteigt und dadurch eine Aufwärtsbewegung der Flüssigkeit in dem Membranfilter generiert, die aufsteigende Flüssigkeit und das Gas die Hohlfasermembranen außen spülen, zwischen einer Außenseite der Hohlfasermembranen und Lumen der Hohlfasermembranen eine Druckdifferenz anliegt, aufgrund derer ein flüssiges Permeat aus der Flüssigkeit filtriert wird und in die Lumen der Hohlfasermembranen strömt und das Permeat aus den Lumen gesammelt wird und aus dem Membranfilter ausströmt.
  • Ein Membranfilter mit den eingangs beschriebenen Merkmalen ist aus WO-02/22244-A1 bekannt, an der auch einer der Erfinder beteiligt war.
  • Der bekannte Membranfilter ist konzipiert für die Filtration von feststoffreichen Abwässern, wie sie beispielsweise in biologischen Kläranlagen in Membranbioreaktoren (MBR) anzutreffen sind. Dabei kann der Membranfilter entweder in die Becken der Kläranlage getaucht werden oder mit Zu- und Abfuhrrohrleitungen versehen, trocken aufgestellt werden. Die Triebkraft für die Filtration wird in den meisten Fällen über einen permeatseitig angelegten Unterdruck realisiert, kann aber bei der trocken aufgestellten Variante auch über einen geringen feedseitigen (rohwasserseitigen) Überdruck realisiert werden.
  • Die Hohlfasermembranen haben einen Durchmesser von weniger als 5 mm, meist 0,5 bis 3 mm und weisen eine Durchlässigkeit von Mikrofiltrationsmembranen oder Ultrafiltrationsmembranen auf. Die Verwendung von Hohlfasermembranen für die Umkehrosmose oder Nanofiltration ist auch möglich.
  • Um eine Verblockung des Membranfilters durch abfiltrierte Stoffe zu vermeiden, wird der Membranfilter kontinuierlich oder in periodischen Intervallen gespült. Üblicherweise verwendete Methoden zur physikalischen Spülung der Membranfilter arbeiten mit einer permeatseitigen Rückspülung der Hohlfasermembranen mit Flüssigkeit oder Gas kombiniert mit einer Gasblasenspülung auf der Außenseite der Hohlfasermembranen. Bei letzterer werden Gasblasen von unten in den Membranfilter eingetragen, die dann entlang der Hohlfasermembranen aufsteigen und diese in der zu filtrierenden Flüssigkeit bewegen. Mit dem Aufsteigen der Gasblasen wird stets auch eine Aufwärtsströmung der Flüssigkeit erzeugt. Die Scherkraft der Zweiphasenströmung aus Gas und Flüssigkeit hat eine hohe Turbulenz, wodurch Beläge von den Membranen abgelöst und ausgespült werden. Bei Membranbioreaktoren wird als Gas üblicherweise Luft verwendet.
  • Der sogenannte Mammutpumpeneffekt, d.h. die durch aufsteigende Gasblasen induzierte Aufwärtsströmung der Flüssigkeit durch den Membranfilter hat eine besonders hohe Reinigungswirkung auf die Hohlfasermembranen, wenn diese von einem im Umfang geschlossenen Rohr umgeben werden, weil dadurch die Gasblasen im Membranfilter, d.h. in unmittelbarer Nähe der Hohlfasermembranen gehalten werden. Der positive Effekt des Rohres wird im Hintergrund der Erfindung unter anderem in JP-2003-024937 und US-2006/0273007 A1 beschrieben.
  • Bei einer der Ausführungsformen des bekannten Membranfilters sind Hohlfasermembranen des in getauchter oder trocken aufgestellter Version einsetzbaren Membranfilters in genau einem Membranträger befestigt, der über 6 Ankerstellen mit einem rohrförmigen Mantel eines Fußelementes verbunden ist. Der Membranfilter weist einen Permeatsammelraum auf, an den die Hohlfasermembranen angeschlossen sind. Die Hohlfasermembranen sind oben einzeln verschlossen.
  • Zudem weist das Fußelement in diesem Membranfilter einen Gaseinlass auf, der über einen Gaskanal an ein Mundstück angeschlossen ist, das zwischen die Hohlfasermembranen ragt. Über das Mundstück wird das Gas oberhalb des Membranträgers zwischen die Hohlfasermembranen in die zu filtrierende Flüssigkeit eingetragen. Durch den Mammutpumpeneffekt des eingetragenen Gases wird die Flüssigkeit von unten durch 6 Bohrungen zwischen den Ankerstellen des Fußelementes angesaugt. Die Bohrungen bilden Strömungsräume im Fußelement, die sich zwischen dem Membranträger und dem Mantel befinden. Die Flüssigkeit durchströmt den Modulfuß in diesen Strömungsräumen und steigt dann nach Vermischung mit dem oben am Modulfuß eingetragenen Gas gemeinsam mit diesem in dem Membranfilter auf, bevor das Gas und die Flüssigkeit oben aus dem Membranfilter ausströmen. Charakteristisch ist, dass die Flüssigkeit nur durch die 6 Bohrungen, d.h. Strömungsräume, die zwischen Mantel und Membranträger liegen das Fußelement durchströmt. Weitere Durchlässe für ein Durchströmen der Flüssigkeit gibt es im Fußelement nicht. D.h. der Membranträger verschließt das Fußelement bis auf die Strömungsräume.
  • Weiter charakteristisch für diesen Membranfilter ist, dass das Gas und die Flüssigkeit getrennt an die Hohlfasermembranen herangeführt werden: die Flüssigkeit strömt durch die Strömungsräume zwischen Mantel und Membranträger von unterhalb des Membranträgers und das Gas zentral aus einem Mundstück von oberhalb des Membranträgers zu den Hohlfasermembranen.
  • Im Fußelement sind besonders die parallel geschalteten Strömungsräume als kleine Bohrungen zur Durchströmung der Flüssigkeit anfällig für Verblockungen. Kommt es in einer der parallel geschalteten Bohrungen zu einer Ablagerung oder Querschnittsverengung, beispielsweise durch angeschwemmtes Laub oder faserige Verbindungen, so reduziert sich in dieser Bohrung die Durchströmgeschwindigkeit und das Risiko einer weiteren Verblockung steigt an. Derartige Systeme der Durchströmung von parallel geschalteten kleinen Bohrungen werden daher in der Verfahrenstechnik als instabil bezeichnet: eine beginnende Verblockung in einem Strömungskanal beschleunigt sich selbst und führt zu einer völligen Verblockung des entsprechenden Strömungskanals, sofern der Strömung genügend alternative Strömungswege offen stehen. Beginnt z.B. bei dem bekannten Membranfilter mit 6 parallelen Bohrungen eine der Bohrungen zu verblocken, so können die verbleibenden 5 Bohrungen die reduzierte Durchströmung kompensieren. Bei einer völligen Verblockung der Bohrung müssten die anderen Bohrungen ihre Durchströmung um lediglich 20% steigern. Die Gefahr der Verblockung parallelgeschalteter innendurchströmter Kanäle nimmt mit geringer werdender Anzahl der Kanäle und größer werdenden Kanalquerschnitten kontinuierlich ab.
  • Neben dem Problem der Verblockung der Bohrungen im Fußelement ergibt sich ein weiteres Problem bei dem bekannten Membranfilter unmittelbar oberhalb der Ankerstellen. Im Strömungsschatten der Ankerstellen besteht die Gefahr der Ablagerung von Partikeln, die zu einer partiellen Verstopfung des Filters führen können. Das Problem der Ablagerung von Partikeln in weniger turbulenten Strömungsbereichen ist naturgemäß bei Membranbioreaktoren besonders kritisch, da es sich hier bei der zu filtrierenden Flüssigkeit um einen Schlamm handelt, in dem viele Partikel, Haare, faserige Verbindung und sonstige Störstoffe enthalten sind, die zu Ablagerungen und Verblockungen neigen.
  • Das dritte Problem des bekannten Membranfilters ist die unzureichende Gasverteilung beim Scale-Up des Systems mit einem zentralen Mundstück oben am Membranträger. Die zentral in der Mitte aufsteigenden Gasblasen benötigen eine Einlaufstrecke, bevor sie so weit in ihrer Größe angewachsen sind bzw. sich horizontal ausgebreitet haben, dass sie den gesamten Bündeldurchmesser erreichen. Mit steigendem Durchmesser wird diese Eilaufstrecke länger und es zeigt sich, dass der maximale Durchmesser des Membranbündels, der gleichmäßig begast werden kann, auf knapp 10 cm begrenzt ist. Größere Durchmesser führen dazu, dass der Außenbereich des Bündels nahe der unteren Einspannstelle nur unzureichend von der Energie der eingetragenen Luft gereinigt wird und dadurch zu Verblockungen neigt.
  • Im Hintergrund der Erfindung beschreibt auch DE 19811945 A1 einen Membranfilter, der ein Fußelement aufweist mit einem Membranträger, in dem Hohlfasermembranen befestigt sind. Auch an dieser Anmeldung war einer der Erfinder beteiligt. Hier werden der Membranfilter und das Fußelement von einem gemeinsamen Rohr umgeben. Es gibt jedoch keinen Mantel des Fußelementes mit dem der Membranträger verbunden ist. Der Membranfilter weist zwischen dem Membranträger und dem Rohr einen Strömungsraum auf, durch den die zu filtrierende Flüssigkeit strömt. Neben diesem Strömungsraum weist der Membranfilter weitere Durchgangsöffnungen für die zu filtrierende Flüssigkeit und das Gas im Inneren auf, die jedoch nicht sowohl an den Membranträger als auch an das Rohr grenzen. Problematisch erweisen sich gerade diese parallel durchströmten kleinen Durchgangsöffnungen, da sie sehr verblockungsanfällig sind. Auch WO 2011/136888A1 beschreibt einen Membranfilter, der ein Fußelement aufweist mit einem Membranträger, in dem Hohlfasermembranen befestigt sind.
    • Aufgabe
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Membranfilter anzugeben, bei dem die Verblockungsneigung reduziert ist.
    • Lösung
  • Ausgehend von dem bekannten Membranfilter wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass das Fußelement in Folge vom Gaseinlass durch den mindestens einen Strömungsraum bis zum Auslass durchströmbar ist. Dadurch wird das Gas nicht wie in dem bekannten Membranfilter über eine separate Gasleitung zentral in die Mitte der im Membranträger befestigten Hohlfasermembranen eingeleitet sondern die Gaszuführung erfolgt gemeinsam mit der Flüssigkeit durch den mindestens einen Strömungsraum in den Außenbereich der Hohlfasermembranen. Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile für eine Reduzierung der Verblockungsneigung des Membranfilters. Zum einen wird die Scherkraft der Zweiphasenströmung aus Gas und Flüssigkeit auch für die Spülung des Membranträgers genutzt und zum anderen wird direkt im unteren Bereich der Membranen das Gas auch in den Randbereich des Membranbündels eingetragen, sodass auch hier die Verblockungsneigung reduziert wird.
  • Bei der Ausgestaltung des Membranfilters ist es vorteilhaft, dass das Rohr die Hohlfasermembranen zu mindestens 50% ihrer freien Länge, d.h. ihrer in der Flüssigkeit befindlichen Länge umgibt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Mammutpumpeneffekt in dem Rohr eine ausreichend starke Strömung im Strömungsraum generiert, um auch den darin befindlichen Membranträger zu spülen.
  • Ein Membranbündel mit dichter Packung der Hohlfasermembranen in einem Kreisquerschnitt ist im Durchmesser begrenzt. Die Praxis des Betriebs von Hohlfasermodulen in Membranbioreaktoren zeigt, dass die Scherkraft der Zweiphasenströmung aus Flüssigkeit und Gas je nach Betriebsbedingungen maximal etwa 2,0 - 2,5 cm in ein Bündel von Hohlfasermembranen hinein wirkt. Daher ist der Außendurchmesser des Membranbündels mit kreisrundem Querschnitt auf etwa 4 - 5 cm beschränkt.
  • Der mindestens eine Strömungsraum weist in den erfindungsgemäßen Membranträger hineinragende Ausbuchtungen auf. Dadurch kann die Breite der mit Membranen dicht gepackten Querschnittsfläche auf ein Maß reduziert werden, das von außen über die Scherkraft der Zweiphasenströmung aus Gas und Flüssigkeit gespült werden kann. Die einfachste Form der Ausbuchtungen sind Ausbuchtungen in rein radialer Richtung. Vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Beschränkung kann der Durchmesser des Membranträgers durch die Ausbuchtungen auf etwa 8 - 10 cm gesteigert werden.
  • Bei größeren Durchmessern sind auch andere Formen der Ausbuchtungen und damit Geometrien des Membranträgers denkbar, wie z.B. eine Kleeblattform des Membranträgers oder ein Membranträger, in dem mehrere kreisrunde Membranbündel angeordnet sind.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Membranfilters mit größerem Durchmesser weist der Membranträger Finger auf, die durch die Ausbuchtungen ausgebildet werden und die über einen Anker des Membranträgers verbunden sind. Diese sind vorzugsweise parallel angeordnet. Die Bezeichnung Finger bezieht sich dabei auf das Merkmal, dass in einem horizontalen Schnitt durch den Membranträger die Finger eine einheitliche Breite aufweisen. Das heißt jedoch nicht, dass sie auch in vertikaler Ausrichtung eine einheitliche Höhe aufweisen, bzw. dass diese Höhe irgendwie mit der Breite korreliert. Somit bieten die Finger die Möglichkeit, die Breite des mit Hohlfasermembranen bestückten Bereiches einheitlich zu gestalten und frei zu wählen. Es erweist sich als vorteilhaft, die Breite des mit Membranen bestückten Bereiches der Finger zwischen 2 und 5 cm zu gestalten, da dann eine optimale Spülung des mit Hohlfasermembranen bestückten Bereiches der Finger auch nahe der Einspannstelle gewährleistet ist.
  • Es ist vorteilhaft, die Anzahl der Ankerstellen möglichst gering zu halten, da dadurch die Anzahl der Strömungskanäle für die zu filtrierende Flüssigkeit geringer und gleichzeitig deren Strömungsquerschnitte größer werden. Dadurch wird das Problem der Verblockung der parallel durchströmten Strömungskanäle deutlich reduziert.
  • Bei der Ausgestaltung des Membranfilters mit Fingern ist es weiterhin vorteilhaft, dass der Membranträger über maximal zwei Ankerstellen mit dem Mantel verbunden ist, die in Verlängerung des Ankers stehen. Dies hat vor allem Vorteile für die Fertigung des Fußelementes als Spritzgussteil.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführung eines solchen erfindungsgemäßen Membranfilters ist der Membranträger mit dem Mantel nur über eine Ankerstelle verbunden. In diesem Fall strömt die gesamte den Membranfilter durchströmende Menge der Flüssigkeit und des Gases gemeinsam durch diesen einen Strömungsraum und anschließend durch dessen Auslass in das sich an den Mantel des Fußelementes oben anschließende Rohr. Durch den Mammutpumpeneffekt, den insbesondere das in dem Rohr aufsteigende Gas erzeugt, kann ein derartiges System als quasi zwangsdurchströmt bezeichnet werden. D.h. solange Gas in dem Membranfilter aufsteigt, wird auch Flüssigkeit von unten durch das Fußelement angesaugt. D.h. solange etwas durch den Membranfilter strömt, ist der eine Strömungskanal nicht völlig verblockt und hat daher selbst bei einer teilweisen Verblockung immer noch das Potential, durch eine höhere Scherkraft der Strömung freigespült zu werden. Eine höhere Scherkraft kann beispielsweise durch eine Steigerung der Gasmenge und damit der Turbulenz der Strömung erreicht werden. Der Vorteil der Möglichkeit des Freispülens von teilweise verblockten Strömungskanälen ist bei mehreren parallel geschalteten, innendurchströmten Kanälen nicht der Fall. Ist bei solchen Systemen ein Kanal teilweise verblockt, so hat er die Tendenz aufgrund der dann geringeren Durchströmgeschwindigkeit völlig zu verblocken. Um einen völlig verblockten Strömungskanal wieder zu reinigen, reicht eine mechanische Spülung des Membranfilters über die Zweiphasenströmung aus Gas und Flüssigkeit allein in der Regel nicht aus. In solchen Fällen ist häufig eine chemische Intensivreinigung des Membranfilters bis hin zu einer manuellen mechanischen Reinigung erforderlich. Die Möglichkeit des Freispülens von teilweise verblockten Strömungskanälen steigt mit geringer werdender Anzahl der parallelen Strömungskanäle. Daher ist die Wahl eines einzigen Strömungskanal vorteilhaft. Dem sind jedoch auch bei dem erfindungsgemäßen Membranfilter Grenzen gesetzt.
  • Die Realisierung nur einer Ankerstelle bei einem erfindungsgemäßen Membranfilter ist nur bis zu einem Durchmesser von etwa 15-18 cm des Fußelementes sinnvoll. Bei größeren Membranträgern ist es aus statischen Gesichtspunkten günstiger, wenn der Membranfilter mindestens zwei gegenüberliegende Ankerstellen aufweist. In dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Membranfilters ist es vorteilhaft, über eine Ankerstelle den Permeatauslass und über die andere den Gaseinlass anzuschließen.
  • Aus fertigungstechnischen Gründen ist es bei der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Membranfilters mit Fingern im Membranträger günstig, die Breite des mit Hohlfasermembranen bestückten Bereiches der Finger zu beiden Seiten des Ankers und auch im Bereich des Ankers einheitlich zu gestalten und dabei den kleinen Bereich zwischen den Fingern oberhalb des Ankers nicht mit Membranen zu bestücken.
  • Um zu vermeiden, dass sich im Strömungsschatten des Ankers zwischen den Fingern Feststoffpartikel ablagern, ist es vorteilhaft, den Querschnitt des Ankers zwischen den Fingern in vertikaler Richtung nicht bis zum Auslass auszubilden, sondern schon vorher sich verjüngend auslaufen zu lassen. Das Gleiche gilt auch für die Ausgestaltung der Ankerstellen zur Verbindung des Membranträgers mit dem Mantel.
  • In diesem Fall ist der Membranträger in jedem der horizontalen Schnitte oberhalb der mindestens einen Ankerstelle vollständig vom Mantel getrennt. Reicht der Mantel gleichzeitig oben bis mindestens zum oberen Ende des Membranträgers, so ist der Membranträger in diesem horizontalen Schnitt vollständig im Auslass eingebettet. Dabei muss der Membranträger nicht zwangsläufig oben am Fußelement zusammenhängend sein, denn im Beispiel des Membranträgers mit Fingern und nicht bis zum Auslass ausgebildetem Anker zwischen den Fingern, weist der Querschnitt im Auslass mehrere voneinander getrennte Finger auf, die jedoch alle Teil des einen Membranträgers sind.
  • Es ist im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, auch die Breite der Ausbuchtung des Strömungsraums zwischen den Fingern einheitlich zu gestalten. Diese liegt vorteilhafter Weise im Bereich zwischen 3 und 8 mm, je nach Betriebsbedingungen und Feststoffgehalt der zu filtrierenden Flüssigkeit. Bei geringerem Feststoffgehalt und kleineren Feststoffpartikeln können auch kleinere Abmessungen aus Gründen der Steigerung der Packungsdichte sinnvoll sein - unter der Bedingung, dass immer noch genügend zu filtrierende Flüssigkeit durch den Strömungsraum fließen kann.
  • Um die Durchströmung des Fußelementes zu vergleichmäßigen, ist es vorteilhaft, dass der mindestens eine Strömungsraum in mindestens einem der horizontalen Schnitte mindestens einen Strömungskanal ausbildet, der über mehr als 80 % seiner Länge eine einheitliche Breite aufweist. Da an den Stellen der Ausbuchtungen aus strömungstechnischen Gesichtspunkten Abrundungen der Außenkanten des Membranträgers vorteilhaft sind, weicht die Breite des Strömungskanals an diesen Stellen geringfügig von der einheitlichen Breite ab.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Membranfilters ist es vorteilhaft, dass der Membranträger in den horizontalen Schnitten einen sich nach unten verringernden Querschnitt aufweist. Dadurch entstehen schräge Anströmkanten am Membranträger, an denen in der zu filtrierenden Flüssigkeit befindliche Störstoffe, wie z. B. Haare oder faserige Verbindungen, Laub oder gröbere Partikel abgleiten können. Die Schrägen sind dabei derart gestaltet, dass die erwähnten Störstoffe am Membranträger nach außen in den Strömungsraum abgeleitet werden. Dies lässt sich anschaulich am Beispiel der Finger verdeutlichen: wenn sich bei der Anströmung eines Fingers am Membranträger von unten faserige Verbindungen auf die Anströmkante des Fingers legen, so werden diese aufgrund der schrägen Gestaltung der Anströmkante der Finger bis zum Ende des Fingers gleiten und dann vom Finger in den Strömungskanal abgleiten und aus dem Modul ausgespült werden. Über die Gestaltung des Membranträgers mit einer sich nach unten verringernden, horizontalen Querschnittsfläche, werden horizontale, in der Strömung stehende Anströmkanten, an denen sich Störstoffe leicht festsetzten können, weitgehend vermieden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Membranfilters weist das Fußelement den Gaseinlass auf zum Einlassen des Gases in das Fußelement. Der Gaseinlass befindet sich dabei unterhalb des Membranträgers. Vorteilhaft ist es wenn der Gaseinlass unmittelbar unterhalb des Membranträgers angeordnet ist, weil dadurch die Einblastiefe des Gases minimiert wird, was sich günstig auf den Energiebedarf der Begasung auswirkt.
  • Im Hintergrund der Erfindung bekannte Membranfilter weisen beispielsweise für die Erzeugung eines Gas-Flüssigkeitsgemisches eine vertikal ausgerichtete Mischkammer auf. Diese hat jedoch den Nachteil, dass sie die Einblastiefe des Gases und damit den Energiebedarf erhöht. Bei 2 m Wassertiefe bedeuten 20 cm zusätzliche Einblastiefe aufgrund einer Mischkammer bereits einen 10 % höheren Energiebedarf. In WO 2008/144826 A1 wird ein derartiges System mit vertikal ausgedehnter Mischkammer zur Vermischung von Gas und Flüssigkeit beschrieben.
  • Alternativ lässt der Gaseinlass von unten Gas in das Fußelement ein ohne selber Teil des Fußelementes zu sein.
  • Für den Einsatz des erfindungsgemäßen Membranfilters zur Abwasseraufbereitung in Membranbioreaktoren ist es vorteilhaft, dass die Hohlfasermembranen oben einzeln verschlossen sind und mit ihrem oberen Ende frei in der Strömung der zu filtrierenden Flüssigkeit schweben. Dadurch können Störstoffe, wie insbesondere Haare und faserige Verbindungen selbst dann aus dem Membranfilter ausgespült werden, wenn sie sich bei der Durchströmung des Filters um die Hohlfasermembranen gewickelt haben.
  • Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Membranfilters mit nur unten im Membranträger des Fußelementes befestigten Hohlfasermembranen, weist das Fußelement den Permeatsammelraum auf, der mit den Lumen der Hohlfasermembranen verbunden ist, sowie den Permeatauslass zum Ausströmen des Permeates aus dem Membranfilter. In diesem Fall ist es zudem vorteilhaft, dass sich das Rohr mit geschlossenem Umfang mindestens bis zum oberen Ende der Hohlfasermembranen erstreckt. Bevorzugt weist ein erfindungsgemäßer Membranfilter ein Rohr auf, dass das obere Ende der Hohlfasermembranen überragt. Dadurch wird sichergestellt, dass im oberen Bereich der Hohlfasermembranen vertikale Strömungskomponenten überwiegen, wodurch insbesondere ein Abstreifen und Ausspülen von Störstoffen aus dem Filter begünstigt wird.
  • Bei weniger biegesteifen Hohlfasermembranen ist es vorteilhaft, wenn der erfindungsgemäße Membranfilter zusätzlich zum Fußelement ein Kopfelement aufweist, in dem die Hohlfasermembranen oben befestigt sind. Bei einem solchen erfindungsgemäßen Membranfilter kann zudem das Kopfelement einen mit dem Lumen der Hohlfasermembranen verbundenen Permeatsammelraum und einen Permeatauslass enthalten. Dabei kann entweder nur das Kopfelement oder zusätzlich auch das Fußelement einen Permeatsammelraum und einen Permeatauslass aufweisen. Die Ausführung eines erfindungsgemäßen Membranfilters mit je einem Permeatsammelraum und je einem Permeatauslass im Kopfelement und im Fußelement ist konstruktiv aufwändiger und daher nur in dem Fall sinnvoll, wenn die Länge oder der Lumendurchmesser der Hohlfasermembranen die Abführung des entstehenden Permeates aufgrund des Druckverlustes im Lumen limitieren. Die Abführung des Permeates zu beiden Seiten der Hohlfasermembranen toleriert eine größere Länge der Hohlfasermembranen und einen kleineren Durchmesser des Lumens der Hohlfasermembranen, wodurch höhere Packungsdichten im Membranfilter realisierbar werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Membranfilters mit einem Fuß- und einem Kopfelement, ist es vorteilhaft, wenn das Kopfelement einen Membranträger mit ähnlichem Querschnitt wie das Fußelement im Auslass aufweist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Membranfilters mit einem Kopfelement ist es sinnvoll, die Flüssigkeit vor dem Einlassen in den Membranfilter weitgehend von Störstoffen zu befreien, was im Falle von Membranbioreaktoren üblicherweise durch eine Feinsiebung des Schlamms erreicht wird, um ein Festsetzten der Störstoffe zwischen den Hohlfasermembranen unterhalb des Kopfelementes zu minimieren. Aus dem gleichen Grund ist es bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Membranfilters sinnvoll, dass das Rohr mit geschlossenem Umfang nicht bis zum Kopfelement geführt wird, was allerdings nur für den getauchten Betrieb des Membranfilters möglich ist.
  • Die einfachste Form eines erfindungsgemäßen Membranfilters, bei dem das Rohr nicht bis zum Kopfelement geführt wird, lässt die Distanz zwischen dem oberen Ende des Rohres und dem Kopfelement offen. Dadurch kann die Flüssigkeit vor Erreichen des Kopfelementes schon aus dem Membranfilter ausströmen, was die Verblockungsneigung des Kopfelementes reduziert. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Membranfilters ist es vorteilhaft, wenn sich an das Rohr mit geschlossenem Umfang, das nicht bis zum Kopfelement des Membranfilters geführt wird, oben ein Rohraufsatz mit Öffnungen im Umfang anschließt. Die Öffnungen haben den Sinn, einen Teil der Flüssigkeit aus dem Membranfilter bereits vor Erreichen des Kopfelementes ausströmen zu lassen. Auch dadurch wird das Festsetzen von Haaren und faserigen Verbindungen unterhalb des Kopfelementes reduziert. Es ist vorteilhaft, das Rohr mit geschlossenem Umfang mindestens bis zur Hälfte der Distanz zwischen Fuß- und Kopfelement zu führen, um den Mammutpumpeneffekt auszunutzen und eine weitgehend parallel zu den Hohlfasermembranen verlaufende Strömung zu erzeugen. Dadurch wird zudem vermieden, dass von außen zu filtrierende Flüssigkeit über den Umfang des Rohres einströmt, was zu strömungstechnisch ungünstigen Querströmungen im Membranfilter führen würde. Das Rohr und der Rohraufsatz können aus einem Teil bestehen.
  • Aufgrund des Mammutpumpeneffektes wird in dem erfindungsgemäßen Membranfilter bereits im Fußelement eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erzeugt. Die Kombination der Strömung der Flüssigkeit mit der Gasströmung ist einerseits vorteilhaft, um einer Verblockung des Fußelementes entgegenzuwirken. Es birgt aber andererseits die Herausforderung, das Gas gleichmäßig über den Querschnitt des Strömungsraumes im Fußelement zu verteilen. Denn aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit der zu filtrierenden Flüssigkeit steigen Gasblasen direkt an der Stelle ihres Eintrags in die Flüssigkeit vertikal nach oben mit nur einer geringen Durchmischungstendenz in horizontaler Richtung.
  • Bei im Hintergrund der Erfindung bekannten Membranfiltern, die den Mammutpumpeneffekt ausnutzen, wird eine Verteilung des Gases in der Flüssigkeit daher über eine vertikal ausgerichtete Mischkammer oder Einströmzone erreicht, in der die Flüssigkeit sich auch in horizontaler Richtung über den Strömungsquerschnitt ausbreiten kann. US 5,482,625 beschreibt eine solche Einströmzone bei Plattenmodulen mit seitlicher Begrenzung entsprechend dem Rohr der vorliegenden Anmeldung. Die vertikal ausgedehnten Einströmzonen oder Mischkammern haben jedoch den bereits weiter oben beschriebenen Nachteil des höheren Energiebedarfs für die Begasung, da das Gas in einer größeren Einblastiefe eingetragen wird.
  • Die gleichmäßige Verteilung des Gases über den Querschnitt des Strömungsraumes im Fußelement wird bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Membranfilters über ein Gasverteilsystem erreicht zum Einbringen des Gases an mehreren Stellen unterhalb des Membranträgers in die Flüssigkeit.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Membranfilter verschließt der Membranträger das Fußelement bis auf den Strömungsraum nicht nur für die Durchströmung der Flüssigkeit sondern auch für die Durchströmung des Gases vollständig.
  • Ausgehend von den bekannten Verfahren wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass das Gas durch den Gaseinlass in den mindestens einen Strömungsraum einströmt, und anschließend das Gas gemeinsam mit der Flüssigkeit das Fußelement in dem mindestens einen Strömungsraum zwischen dem Mantel und dem Membranträger durchströmt und durch den Auslass in das Rohr einströmt, wobei der mindestens eine Strömungsraum in den erfindungsgemäßen Membranträger hineinragende Ausbuchtungen aufweist. Ein solches erfindungsgemäßes Verfahren wird in einem erfindungsgemäßen Membranfilter ausgeführt und zeichnet sich gleichfalls durch die dort genannten Vorteile aus.
  • In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umströmen die Flüssigkeit und das Gas den Membranträger in mindestens einem der horizontalen Schnitte durch den Membranträger vollständig. Jede Verbindungsstelle zwischen Membranträger und Mantel, die in dem erfindungsgemäßen Membranfilter als Ankerstellen bezeichnet werden, birgt das Risiko, dass sich in dem Strömungsschatten oberhalb dieser Verbindungsstelle Partikel oder Feststoffe der Flüssigkeit ablagern und zu Verblockungen im darüber befindlichen Bereich der Hohlfasermembranen führen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Ankerstellen sich vertikal bis zum Auslass des Fußelementes in ihrer vollen Breite erstrecken. Dieses Risiko kann vermieden werden, indem sich die Ankerstellen in vertikaler Richtung nach oben verjüngen und bereits vor dem Auslass des Fußelementes enden. Im Bereich der Verjüngung kann die Zweiphasenströmung aus Gas und Flüssigkeit sich in den Strömungsschatten der Ankerstellen ausdehnen und so oberhalb der Ankerstellen den Membranträger vollständig umströmen.
  • Zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Membranfilter in die Flüssigkeit getaucht sein. Der Membranfilter ist dann von der Flüssigkeit umgeben und aufgrund des Mammutpumpeneffektes des in das Fußelement eingeleiteten und im Membranfilter aufsteigenden Gases wird die Flüssigkeit von unten in das Fußelement angesaugt und durchströmt gemeinsam mit dem Gas die Filtereinheit, bevor beide oben aus der Filtereinheit ausströmen.
  • Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Flüssigkeit mittels einer ersten Flüssigkeitsleitung dem Fußelement zugeführt und mittels einer zweiten Flüssigkeitsleitung oben aus dem Membranfilter abgeführt werden, wobei die zweite Flüssigkeitsleitung oberhalb der Hohlfasermembranen an einem Rohr angeschlossen ist, das an das Fußelement oben anschließend die Hohlfasermembranen umgibt. Diese Variante des Betriebs einer erfindungsgemäßen Filtereinheit wird auch als "trocken aufgestellter" Betrieb bezeichnet.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt aufgrund des sich an den Mantel des Fußelementes oben anschließenden Rohres das eingetragene Gas einen starken Mammutpumpeneffekt in dem erfindungsgemäßen Membranfilter, der insbesondere auch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit im Strömungsraum des Fußelementes erzeugt. Diese ist eine zusätzliche Triebkraft, um Ablagerungen und beginnende Verblockungen in dem Strömungsraum selbständig frei zu spülen.
  • Bei der Realisierung größerer Filtereinheiten können mehrere erfindungsgemäße Membranfilter auf einem gemeinsamen Rahmen parallel nebeneinander montiert werden. Dabei werden die Permeatauslässe der einzelnen Membranfilter mit Rohrleitungen verbunden, die der Ableitung des entstehenden Permeates aus den Membranfiltern dienen. Auch die Gaseinlässe werden mit Rohrleitungen verbunden, die der Zuführung des Gases in die Membranfilter dienen. Dabei werden die Gaszuführungsleitungen einzeln mit Drosseln ausgestattet zur Vergleichmäßigung der Luftzuführung auf die einzelnen Membranfilter. Vorteilhaft ist es dabei, die Drosseln in den Gaszuführungsleitungen oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche zu positionieren, um auch beim Abschalten des Filters ein Fluten der Drosselquerschnitte zu vermeiden und damit eine Verstopfung der Drosseln durch Feststoffbestandteile der Flüssigkeit auszuschließen.
    • Ausführungsbeispiel
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1a bis1e
    einen ersten Membranfilter (Gesamtschnitt Teilschnitte und Ansichten des Fußelementes),
    Fig. 2a bis 2c
    Strömungsverhältnisse im ersten Membranfilter,
    Fig. 3
    den ersten Membranfilter im Tauchbetrieb,
    Fig. 4
    den ersten Membranfilter im trocken aufgestellten Betrieb,
    Fig. 5a bis 5i
    Details eines zweiten erfindungsgemäßen Membranfilters,
    Fig. 6a bis 6c
    Teilansichten und Schnitte des Gasverteilsystems des zweiten Membranfilters,
    Fig. 7a bis 7d
    weitere erfindungsgemäße Membranfilter,
    Fig. 8a bis 8c
    Details weiterer erfindungsgemäßer Membranfilter,
    Fig. 9a bis 9c
    Membranträger weiterer erfindungsgemäßer Membranfilter....
  • Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind nicht maßstäblich. Alle nicht angegebenen Details von im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Membranfiltern sind identisch mit den Ausführungen bereits zuvor beschriebener erfindungsgemäßer Membranfilter.
  • Die Figuren 1a bis 1e zeigen Schnitte und Ansichten eines ersten Membranfilters 1. Dieser weist ein Fußelement 2 auf mit einem Mantel 3 und einen sich darin befindlichen Membranträger 4, in dem oben Hohlfasermembranen 5 befestigt sind. An den Mantel 3 des Fußelementes 2 schließt oben ein zylindrisches Rohr 6 an.
  • Die Hohlfasermembranen 5 sind gewebeverstärkt und haben einen Außendurchmesser von 2,5 mm. Sie sind am oberen Ende 7 einzeln verschlossen. Das Rohr 6 überragt das obere Ende 7 um eine Länge 8 von 10 cm. Die Hohlfasermembranen 5 sind unten in dem Membranträger 4 über eine Harzschicht 9 abdichtend eingegossen, wobei Lumen der Hohlfasermembranen 5 offen bleiben.
  • Der Membranfilter 1 weist eine Höhe 10 von 200 cm, das Fußelement 2 eine Höhe 11 von 12 cm und der Membranträger 4 eine Höhe 12 von 11 cm auf. Das Fußelement 2 und das Rohr 6 weisen beide einen Außendurchmesser von 75 mm auf. Das Rohr 6 weist einen Innendurchmesser von 68 mm auf. Das Fußelement 2 weist ferner einen Gaseinlass 13 und einen Permeatauslass 14 auf.
  • Der Membranträger 4 ist über eine Ankerstelle 15 mit dem Mantel 3 verbunden. Das Fußelement 2 weist zwischen Mantel 3 und Membranträger 4 einen Strömungsraum 16 auf, der als Ringspalt mit einer Breite von 9 mm ausgebildet ist, den Membranträger 4 umgibt und nur durch die Ankerstelle 15 unterbrochen wird. Der Strömungsraum 16 grenzt in jedem horizontalen Schnitt sowohl an den Mantel 3 als auch an den Membranträger 4.
  • Der Strömungsraum 16 wird in vertikaler Richtung durch den Überschneidungsbereich der Höhe 11 des Fußelementes 2 und der Höhe 12 des Membranträgers 4 begrenzt. Das Fußelement 2 ist nach unten offen und durchströmbar. Der Strömungsraum 16 weist oben einen Auslass 17 in das Rohr 6 auf.
  • Der Gaseinlass 13 ist mit einem auf der Unterseite des Membranträgers 4 ausgebildeten Gasverteilsystem 18 verbunden, das eine nach unten offene und oben geschlossene Wanne 19 aufweist, die eine Wandung 20 aufweist mit nach unten offenen vertikalen Schlitzen 21. Die Wanne 19 weist jeweils mittig zwischen benachbarten Schlitzen 21 in einem vertikalen, orthogonal zur Wandung 20 verlaufenden Schnitt eine Innenkante 22 auf, die über die gesamte Höhe der Schlitze 21 eine schräge Kante ist, deren Winkel 24 zur Horizontalen 40° beträgt. Alternativ kann die Innenkante 22 im Bereich einer unteren Hälfte 23 der Schlitze 21 in jedem Punkt einen Winkel 24 zur Horizontalen von kleiner als 60° aufweisen.
  • Das Fußelement 2 weist ferner einen Permeatsammelraum 25 auf, in den die Lumen der Hohlfasermembranen 5 münden. Der Permeatsammelraum 25 ist mit dem Permeatauslass 14 des Fußelementes 2 verbunden.
  • Figur 1d zeigt eine Draufsicht auf das Fußelement 2 mit den Hohlfasermembranen 5 ohne das Rohr 6. Die Anzahl der dargestellten Hohlfasermembranen 5 entspricht nicht der tatsächlichen Anzahl der Hohlfasermembranen 5. Und Figur 1e zeigt eine Ansicht des Fußelementes 2 von unten. Die Anzahl der Schlitze 21 beträgt 6. Diese sind über den Umfang der Wanne 19 in deren Wandung 20 gleichmäßig verteilt.
  • Der Permeatauslass 14 und der Gaseinlass 13 liegen in Verlängerung der Ankerstelle 15 radial nach außen.
  • Die Figuren 2a bis 2c zeigen die Strömungsverhältnisse im Fußelement 2 und im unteren Teil des Rohres 6 des ersten Membranfilters 1 während des Filtrationsbetriebs.
  • Dabei zeigt Figur 2a einen ersten vertikalen Schnitt durch den unteren Teil des Membranfilters 1, wobei der Schnitt auch durch die Ankerstelle 15 verläuft.
  • Durch den Gaseinlass 13 wird im Betrieb des Membranfilters 1 ein Gas 26 in das Fußelement 2 und den Strömungsraum 16 eingeleitet. Dabei strömt das Gas 26 über den Gaseinlass 13 zunächst in die Wanne 19 ein. Das Gas 26 füllt die Wanne 19 bis zu einem Teil der Höhe der Schlitze 21 und bildet in der Wanne 19 ein Gaspolster 27. Das Gas 26 füllt auch die Schlitze 21 bis zur Höhe des Gaspolsters 27 und strömt schließlich über den mit Gas 26 gefüllten Teil der Schlitze 21 seitlich aus der Wanne 19, bzw. aus dem Gaspolster 27 aus und dabei in eine zu filtrierende Flüssigkeit 28 ein.
  • Bis auf den Strömungsraum 16 verschließt der Membranträger 4 das Fußelement 2 vollständig für die Durchströmung der Flüssigkeit 28 und des Gases 26, d.h. bis auf den Strömungsraum 16 gibt es in dem Fußelement 2 keine weiteren Durchgangsöffnungen für das Gas 26 und die Flüssigkeit 28.
  • Oberhalb des Fußelementes 2 gibt es in dem Rohr 6 außer den Hohlfasermembranen 5 keine weiteren Einbauten. Daher schweben die Hohlfasermembranen 5 nur unten fixiert ohne Behinderung frei in der Flüssigkeit 28. Somit können sich auch Haare, faserige Verbindungen oder sonstige Störstoffe aus der Flüssigkeit 28 nicht in diesem Bereich festsetzen.
  • Beim seitlichen Durchströmen durch die Schlitze 21 generiert das Gas 26 eine parallel zur seitlichen Gasströmung radial nach außen gerichtete Flüssigkeitsströmung an der Phasengrenzfläche unterhalb des Gaspolsters 27. Diese strömt zwischen jeweils benachbarten Schlitzen 21 die Innenkante 22 der Wandung 20 an, die in jedem Punkt im Bereich der Schlitze einen Winkel zur Horizontalen von kleiner als 60° aufweist. An dieser schrägen Innenkante werden in der zu filtrierenden Flüssigkeit 28 enthaltene Haare und faserige Verbindungen durch die nach außen gerichteten Gasströmung und Flüssigkeitsströmung abgestreift, wodurch die Gefahr des Festsetzens dieser Störstoffe im Membranfilter 1 reduziert wird.
  • Nach dem Durchströmen der Schlitze 21 steigt das Gas 26 durch seinen Auftrieb in dem Membranfilter 1 auf und erzeugt dadurch eine Aufwärtsströmung der Flüssigkeit 28. Diese wird in den Membranfilter 1 nur von unten eingesaugt. Das Gas 26 und die Flüssigkeit 28 durchströmen den Strömungsraum 16 des Fußelementes 2, strömen danach gemeinsam durch den Auslass 17 in das Rohr 6 ein und oben am Rohr 6 aus dem Membranfilter 1 aus.
  • Durch die hohe Scherkraftwirkung der Zweiphasenströmung aus Flüssigkeit 28 und Gas 26, die durch den Mammutpumpeneffekt im Membranfilter 1 aufsteigt, werden im Strömungsraum 16 des Fußelementes 2 der Membranträger 4 und im Rohr 6 die Hohlfasermembranen 5 außen gespült, und dadurch Beläge und Ablagerungen von den Oberflächen des Membranträgers 4 und der Hohlfasermembranen 5 abgespült und aus dem Membranfilter 1 ausgetragen.
  • Zwischen der Außenseite der Hohlfasermembranen 5 und deren Lumen liegt eine Druckdifferenz an, aufgrund derer ein flüssiges Permeat 29 aus der Flüssigkeit 28 filtriert wird und in die Lumen der Hohlfasermembranen 5 strömt. Das Permeat 29 wird aus den Lumen der Hohlfasermembranen 5 gesammelt und strömt dann durch den Permeatauslass 14 aus dem Membranfilter 1 aus.
  • Durch die Ankerstelle 15 erfolgen sowohl die Zufuhr des Gases 26 als auch die Abfuhr des im Membranfilter 1 filtrierten Permeates 29.
  • Der Gaseinlass 13 ist strömungstechnisch mit dem Strömungsraum 16 innerhalb des Fußelementes 2 verbunden, so dass das Fußelement 2 vom Gaseinlass 13 durch die Wanne 19, durch die Schlitze 21 und durch den Strömungsraum 16 bis zum Auslass 17 durchströmbar ist.
  • Figur 2b zeigt einen weiteren, jedoch um 90° versetzten Schnitt durch den unteren Teil des ersten Membranfilters 1. Dabei wird die Ankerstelle 15 nicht geschnitten, dafür aber zwei der Schlitze 21. Zu erkennen ist das seitliche Ausströmen des Gases 26 durch die Schlitze 21 aus der Wanne 19, bzw. aus dem Gaspolster 27. Zudem ist in diesem Schnitt der Permeatsammelraum 25, nicht aber der Permeatauslass 14 zu sehen.
  • Figur 2c zeigt einen weiteren Schnitt durch den unteren Teil des ersten Membranfilters 1, der in diesem Fall nur den Mantel 3 schneidet und ansonsten durch den Strömungsraum 16 verläuft, so dass die Außenseite des Membranträgers 4 sichtbar wird. Dabei ist das seitliche Ausströmen des Gases 26 aus den Schlitzen 21 zu erkennen.
  • Figur 3 zeigt den ersten Membranfilter 1 im Tauchbetrieb. Gasblasen in der Flüssigkeit 28 sind dabei nicht dargestellt. Dabei wird der Membranfilter 1 in ein Becken mit der zu filtrierenden Flüssigkeit 28 eingetaucht, so weit dass ein Flüssigkeitsüberstand 30 von 15 cm oberhalb des Membranfilters 1 bis zur Oberfläche der Flüssigkeit 28 bleibt. Über eine Gaszuführleitung 31 wird das Gas 26 von oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit 28 zum Gaseinlass 13 geführt. In der Gaszuführleitung 31 ist eine Drossel 32 eingebaut. Diese ist an dieser Stelle exemplarisch dargestellt und ist nur erforderlich, wenn mehrere Membranfilter 1 parallel betrieben und gleichzeitig mit Gas 26 versorgt werden. Die Drosseln 32 in den Gaszuführleitungen 31 dienen dann dazu, die in die einzelnen Membranfilter 1 strömenden Mengen an Gas 26 zu vergleichmäßigen. Die Drossel 32 ist oberhalb der Oberfläche der zu filtrierenden Flüssigkeit 28 angeordnet. Über eine Permeatleitung 33 wird das im Membranfilter 1 entstehende Permeat 24 vom Permeatauslass 14 abgeleitet.
  • Figur 4 zeigt den ersten Membranfilter 1 im trocken aufgestellten Betrieb. Gasblasen in der zu filtrierenden Flüssigkeit 28 sind dabei nicht dargestellt. Die Flüssigkeit 28 wird über eine erste Flüssigkeitsleitung 34 dem Membranfilter 1 zugeführt. Aus der Flüssigkeit 28 wird ein Permeat 29 filtriert, das den Permeatauslass 14 verlässt. Durch den Gaseinlass 13 wird das Gas 26 zugeführt. Über eine zweite Flüssigkeitsleitung 35 werden das Gas 26 und die Flüssigkeit 28 abzüglich des Permeates 29 abgeführt. Die zweite Flüssigkeitsleitung 35 ist oben an das Rohr 6 angeschlossen, das die Hohlfasermembranen 5 überragt.
  • Die Figuren 5a bis 5g zeigen Ansichten und unterschiedliche Schnitte eines zweiten erfindungsgemäßen Membranfilters 36.
  • Figur 5a zeigt einen Längsschnitt durch den zweiten Membranfilter 36. Dieser weist ein nach unten zu einer zu filtrierenden Flüssigkeit 37 hin offenes, von einem Gas 38 und der Flüssigkeit 37 durchströmbares Fußelement 39 auf, das einen rohrförmigen Mantel 40 und genau einen darin befindlichen Membranträger 41 aufweist, wobei der Membranträger 41 mit dem Mantel 40 über zwei Ankerstellen 42 verbundenen ist. Oben in dem Membranträger 41 sind Hohlfasermembranen 43 befestigt mit jeweils einem Lumen, in das ein flüssiges Permeat 44 aus der Flüssigkeit 37 filtrierbar ist. Zudem weist der Membranfilter 36 ein im Umfang geschlossenes Rohr 45 auf, dass an den Mantel 40 des Fußelementes 39 oben anschließend die Hohlfasermembranen 43 umgibt, sowie einen Gaseinlass 46 zum Einlassen des Gases 38 in das Fußelement 39. Das Fußelement 39 weist ferner einen Permeatsammelraum 47 auf, der mit den Lumen der Hohlfasermembranen 43 verbunden ist, zum Sammeln des Permeates 44 aus den Hohlfasermembranen 43 sowie einen Permeatauslass 48 zum Ablassen des Permeates 44 aus dem Permeatsammelraum 47.
  • Das Fußelement 31 hat eine Höhe 49 von 12 cm und der Membranfilter 36 eine Höhe 50 von 212 cm. Die Hohlfasermembranen 43 sind unten in dem Membranträger 41 über eine Harzschicht 51 gegen die zu filtrierende Flüssigkeit 37 abdichtend eingegossen, wobei die Lumen der Hohlfasermembranen 43 offen bleiben. Die Anzahl der dargestellten Hohlfasermembranen 43 entspricht nicht der tatsächlichen Anzahl der Hohlfasermembranen 43. Die Hohlfasermembranen 43 sind oben einzeln verschlossen und schweben bis auf die untere Einspannung oben frei in der zu filtrierenden Flüssigkeit 37. Sie werden vollständig vom Rohr 45 umschlossen. Das Rohr 45 ragt um 10 cm über die oberen Enden 52 der Hohlfasermembranen 43 hinaus.
  • Figur 5b zeigt eine Draufsicht auf das Fußelement 39 des zweiten Membranfilters 36 und Figur 5c eine perspektivische Ansicht mit aufgeschnittenem Mantel 40. Zwischen dem Mantel 40 und dem Membranträger 41 weist das Fußelement 39 einen nach unten offenen Strömungsraum 53 zum Durchströmen der zu filtrierenden Flüssigkeit 37 auf, der oben einen Auslass 54 aufweist zum Auslassen der zu filtrierenden Flüssigkeit 37 in das Rohr 45.
  • Der Strömungsraum 53 hat Ausbuchtungen 55, die in den Membranträger 41 hineinragen bis zu einem Anker 56 des Membranträgers 41. Dadurch werden am Membranträger 41 sechs Finger 57 ausgebildet, die über den Anker 56 des Membranträgers 41 verbunden sind. Die beiden Ankerstellen 42 stehen in Verlängerung des Ankers 56, wobei durch die eine der Gaseinlass 46 und durch die andere der Permeatauslass 48 verläuft. Die beiden Ankerstellen 42 sind die einzigen Verbindungen des Membranträgers 41 mit dem Mantel 40. Die Bestückung des Membranträgers 41 mit den Hohlfasermembranen 43 erfolgt beim zweiten Membranfilter 36 nur im Bereich der Finger 57, wobei der Bereich zwischen den Fingern oberhalb des Ankers 56 aus fertigungstechnischen Gründen ausgespart bleibt. Die Hohlfasermembranen 43 des zweiten Membranfilters 36 sind gewebeverstärkt und haben einen Außendurchmesser von 2,5 mm.
  • Im Bereich des Ankers 56 gibt es im Fußelement 39 einen horizontalen Schnitt, in dem der Strömungsraum 53 zwei zusammenhängende Strömungskanäle 58 ausbildet, die im Ringspalt im äußeren Bereich der Finger 57 eine einheitliche Breite 59 von 6 mm aufweisen. Auch zwischen den Fingern 57 hat der Strömungskanal 58 die gleiche Breite 59 von 6 mm. Da die Kanten der Finger 57 aus strömungstechnischen Gesichtspunkten abgerundet sind, weisen die beiden Strömungskanäle 58 an den Kanten der Finger 57 eine geringfügig größere Breite als 6 mm auf. Insgesamt weisen die beiden Strömungskanäle 58 auf mehr als 80 % ihrer Länge die einheitliche Breite 59 von 6 mm auf.
  • Der Strömungsraum 53 grenzt in jedem horizontalen Schnitt sowohl an den Mantel 40 als auch an den Membranträger 41 und wird nur durch die beiden Ankerstellen 42 unterbrochen. Der Membranträger 41 verschließt das Fußelement 39 bis auf den Strömungsraum 53 vollständig, d.h. das Fußelement 39 weist außer dem Strömungsraum 53 keine weiteren Durchflusskanäle für die zu filtrierende Flüssigkeit 37 oder das Gas 38 auf.
  • Der Durchmesser 60 des Fußelementes 39 des zweiten Membranfilters 36 beträgt 208 mm.
  • Figur 5d zeigt einen Schnitt durch das Fußelement 39 des zweiten Membranfilters 36, derart, dass der Anker 56 genau im Strömungsraum 53 zwischen zwei Fingern 57 geschnitten wird. Innerhalb des Ankers 56 befindet sich ein Teil des Permeatsammelraums 47. Der Strömungsraum 53 wird in vertikaler Richtung durch den Überschneidungsbereich der Höhe 49 des Fußelementes 39 und einer Höhe 61 des Membranträgers 41 begrenzt. An der Unterseite des Membranträges ist ein Gasverteilsystem 62 ausgebildet, dessen Höhe bei der Definition des Strömungsraums 53 unberücksichtigt bleibt. Der Strömungsraum 53 endet oben im Auslass 54.
  • Wie in Figur 5d und Figur 5e zu erkennen ist, sind die Finger 57 unten in beiden horizontalen Richtungen abgeschrägt, wodurch der Membranträger 41 eine sich nach unten verringernde, horizontale Querschnittsfläche aufweist. Dadurch bleiben in der zu filtrierenden Flüssigkeit 37 enthaltene Haare und faserige Verbindungen nicht an den Fingern 57 hängen sondern werden entlang der Schräge der Finger 57 in den Strömungsraum 53 abgestreift, durch diesen hindurchgespült und gelangen danach in den Bereich der Hohlfasermembranen 43 im Rohr 45. Da in diesem Bereich außer den oben einzeln verschlossenen Hohlfasermembranen 43 keine weiteren Einbauten vorhanden sind, an denen sich Haare oder faserige Verbindungen festsetzen können, und da zudem die Hohlfasermembranfasern 43 oben einzeln verschlossen sind, können Haare und faserige Verbindungen frei nach oben aus dem Membranfilter 36 ausgespült werden.
  • Figur 5f zeigt eine perspektivische Ansicht des Fußelementes 39 des zweiten Membranfilters 36 von schräg unten und Figur 5g eine Hälfte des Fußelementes 39 mit aufgeschnittenem Mantel 40.
  • Beim zweiten Membranfilter 36 weist das Fußelement 39 den Gaseinlass 46 auf. Dieser ist mit einem an der Unterseite des Membranträgers 41 ausgebildeten Gasverteilsystem 62 verbunden, das eine nach unten offene und oben geschlossene Wanne 63 aufweist, die eine Wandung 64 mit nach unten offenen, vertikalen Schlitzen 65 aufweist zum Verteilen des Gases 38 in die zu filtrierende Flüssigkeit 37. Die Breite der Wanne 63 entspricht der Breite des Ankers 56 und ist an dessen Unterseite ausgebildet. Der Gaseinlass 46 schließt direkt seitlich an die Wanne 63 an.
  • An jedem zweiten der Schlitze 65 ist außen an die Wanne 63 ein Gasleitkanal 66 angeschlossen, der an der Unterseite der Finger 57 ausgebildet ist, zum Weiterleiten des Gases 38 von der Wanne weg Richtung Mantel 40. Die anderen Schlitze 65, an die keine Gasleitkanäle 66 angeschlossen sind, münden jeweils zwischen zwei Fingern 57, bzw. bei den äußeren Fingern 57 zwischen diesen und dem Mantel 40 auf der Außenseite des Ankers 56. Somit weist die Wanne 63 auf jeder ihrer beiden Längsseiten eine Wandung 64 mit jeweils 13 Schlitzen 65 auf. Die Schlitze 65 werden nach unten breiter, um auch größere Schwankungen in der zugeführten Menge an Gas 38 kompensieren zu können.
  • Die Breite der Schlitze 65 und damit auch ihre Querschnittsfläche sind unterschiedlich groß. Dadurch wird die durch die Schlitze 65 strömende Menge des Gases 38 an die mit Gas 38 zu spülende Oberfläche der Hohlfasermembranen 43 angepasst. Dementsprechend weisen die Schlitze 65 unterhalb der längeren Finger 57 in der Mitte des Fußelementes 39 breitere Schlitze 65 auf als die äußeren Schlitze 65 unterhalb der kürzeren Finger 57. Die schmalsten Schlitze 65 sind diejenigen, die zwischen den Fingern 57 münden. Durch die Ausgestaltung des Gasverteilsystems 62 mit Schlitzen 65 und Gasleitkanälen 66 umströmt das Gas 38 den Membranträger 41 nach dem Einströmen in die zu filtrierende Flüssigkeit 37.
  • Das Fußelement 39 ist vom Gaseinlass 46 durch die Wanne 63, durch die Schlitze 65 und durch den Strömungsraum 53 bis zum Auslass 54 durchströmbar. Der Membranträger 41 verschließt das Fußelement 39 bis auf den Strömungsraum 53 nicht nur für die Durchströmung der zu filtrierenden Flüssigkeit 37 sondern auch für die Durchströmung des Gases 38.
  • Figur 5h zeigt nur einen der Finger 57 des zweiten Membranfilters 36. Dabei ist im Schnitt der Anker 56 zu sehen und die auf dessen Unterseite ausgebildete Wanne 63. Zudem sind die auf der Unterseite des Fingers 57 zu beiden Seiten der Wanne 63 verlaufenden Gasleitkanäle 66 zu erkennen.
  • Figur 5i zeigt einen Schnitt durch den Gasleitkanal 66 in einem Ausschnitt des Fußelementes 39 des zweiten Membranfilters 36. Hierbei ist zu erkennen, dass die Gasleitkanäle 66 vertikal nach oben versetzt an die Schlitze 65 anschließen.
  • Die Figuren 6a bis 6c zeigen Ansichten und Schnitte von Teilen der Wanne 63 des zweiten Membranfilters 36.
  • Die Wanne 63 weist innen jeweils mittig zwischen benachbarten Schlitzen 65 orthogonal zur Wandung 64 verlaufende vertikale Rippen 67 auf. Jede Rippe 67 weist unten eine Verjüngung auf, die auf die Wandung 64 zuläuft und somit eine schräge, bzw. abgerundete Innenkante 68 der Wanne 63 ausbildet.
  • Geometrisch weist die Wanne 63 jeweils zwischen benachbarten Schlitzen 65 in einem vertikalen Schnitt, der in diesem Fall orthogonal zur Wandung 64 durch die Rippe 67 verläuft, eine Innenkante 68 auf, die mindestens im Bereich einer unteren Hälfte 69 der Schlitze 65 in jedem Punkt einen Winkel 70 zur Horizontalen von kleiner als 60°, auf Höhe der Hälfte 69 der Schlitze 65 von 58° aufweist.
  • Der nicht dargestellte Filtrationsbetrieb des zweiten Membranfilters 36 unterscheidet sich vom Filtrationsbetrieb des ersten Membranfilters 1 folgendermaßen:
    • Das Gas 38 strömt durch den Gaseinlass 46 in die Wanne 63 ein und füllt diese und die Schlitze 65 bis zu einem Teil der Höhe der Schlitze 65 mit einem Gaspolster. Aus diesem strömt das Gas 38 durch die Schlitze 65 seitlich nach außen aus der Wanne 63 und dabei an mehreren Stellen unterhalb des Membranträgers 41 in die zu filtrierende Flüssigkeit 37. Das Gas 38 strömt dabei aus den Schlitzen 65 zum einen in Ausbuchtungen 55 des Strömungsraums 53 zwischen jeweils zwei Fingern 57 und zum anderen aus den Schlitzen 65 unterhalb der Finger 57 in die Gasleikanäle 66. Über diese gelangt das Gas 38 nach außen weiter weg von der Wanne 63 in den Außenbereich des Membranfilters 36.
  • Beim seitlichen Durchströmen durch die Schlitze 65 wird eine parallel zur seitlichen Gasströmung gerichtete Flüssigkeitsströmung an der Phasengrenze unterhalb des Gaspolsters erzeugt, die die Innenkante 68 der Rippe 67 anströmt. Aufgrund des Winkels 70 dieser jeweils zwischen zwei Schlitzen 65 gelegenen Innenkante 68 der Wanne 63 können Haare und faserige Verbindungen beim Anströmen der Innenkante 68 abgestreift werden, wodurch die Verblockungsneigung des Membranfilters 36 deutlich reduziert wird.
  • Nach dem Eintreten des Gases in die zu filtrierende Flüssigkeit 37 wird der Membranträger 41 vom Gas 38 und der Flüssigkeit 37 umströmt, bevor das Gemisch aus Gas 38 und Flüssigkeit 37 die oben im Membranträger 41 befestigten Hohlfasermembranen 43 umströmt. Aufgrund der hohen Scherkraft der Zweiphasenströmung werden die Hohlfasermembranen 43 und der Membranträger 41 außen gespült.
  • Das Fußelement 39 wird von dem Gas 38 ausgehend vom Gaseinlass 46 durch die Wanne 63, durch die Schlitze 65 und durch den Strömungsraum 53 bis zum Auslass 54 durchströmt. Da der Strömungsraum 53 stets zwischen Mantel 40 und Membranträger 41 liegt und zudem über die Ausbuchtungen 55 auch in den inneren Bereich des Membranfilters 36 hineinragt, wird auf diese Art und Weise eine über den gesamten Querschnitt gleichmäßige Begasung des Membranfilters 36 erreicht unter Vermeidung der Durchströmung von kleinen parallel geschalteten Strömungsräumen. Dadurch wird insgesamt die Verblockungsneigung des Membranfilters 36 im Vergleich zum Stand der Technik reduziert.
  • Auch der zweite Membranfilter 36 kann im getauchten Betrieb oder trocken aufgestellt betrieben werden.
  • Die Figuren 7a bis 7d zeigen weitere Varianten erfindungsgemäßer Membranfilter mit einem Fußelement und einem Kopfelement.
  • Figur 7a zeigt einen dritten erfindungsgemäßen Membranfilter 71. Dieser unterscheidet sich von dem ersten Membranfilter 1 dadurch, dass an ein Fußelement 72 oben ein geschlossenes Rohr 73 anschießt, das Hohlfasermembranen 74 umgibt und das oben an ein Kopfelement 75 anschließt. Das Kopfelement 75 hat einen Mantel 76 und einen darin befindlichen Membranträger 77, der mit dem Mantel 76 nur über eine Ankerstelle 78 verbunden ist. Im Kopfelement 75 sind die Hohlfasermembranen 74 oben über eine Harzschicht 79 abdichtend zur zu filtrierenden Flüssigkeit mit ihren Lumen offen eingegossen und befestigt.
  • Das Kopfelement 75 weist einen Permeatsammelraum 80 auf, der mit den Lumen der Hohlfasermembranen 74 strömungstechnisch verbunden ist, zum Sammeln des Permeates und einen Permeatauslass 81 zum Ablassen des Permeates. Ferner weist das Kopfelement 75 einen zweiten Strömungsraum 82 auf zum Durchströmen des Gases und der zu filtrierenden Flüssigkeit und Ausströmen aus dem Kopfelement 75. Der dritte Membranfilter 71 kann im Tauchbetrieb und im trocken aufgestellten Betrieb eingesetzt werden.
  • Figur 7b zeigt einen vierten erfindungsgemäßen Membranfilter 83. Dieser unterscheidet sich vom dritten Membranfilter 71 dadurch, dass an ein Rohr 84, das oben an ein Fußelement 85 anschließt, oben zunächst ein Rohraufsatz 86 mit Öffnungen 87 anschließt zum seitlichen Ausströmen eines Teils des Gases und der zu filtrierenden Flüssigkeit aus dem Rohr 84. Der Rohraufsatz 86 und das Rohr 84 bestehen beim vierten Membranfilter 83 aus einem Teil. An den Rohraufsatz 86 schließt oben ein Kopfelement 88 an, das die gleichen Details aufweist wie das Kopfelement 75 des dritten Membranfilters 71. Ein weiterer Unterschied zum dritten Membranfilter 71 bildet das Fußelement 85, das keinen Permeatsammelraum aufweist, d.h. die Hohlfasermembranen 89 sind unten verschlossen im Fußelement 85 eingeharzt und befestigt. Das in den Hohlfasermembranen 89 entstehende Permeat strömt nur in den Permeatsammelraum 90 des Kopfelementes 88, wird dort gesammelt und strömt über einen Permeatauslass 91 aus dem vierten Membranfilter 83. Dieser kann aufgrund der Öffnungen 87 im Rohraufsatz 86 nur im Tauchbetrieb eingesetzt werden.
  • Figur 7c zeigt einen fünften erfindungsgemäßen Membranfilter 92. Dieser unterscheidet sich vom dritten Membranfilter 71 dadurch, dass das Rohr 93 nicht bis zum Kopfelement 94 geführt ist, sondern schon vorher mit einer Rohrerweiterung 95 oben endet. Das Kopfelement 94 ist somit nicht mit dem Rohr 93 verbunden und ist dementsprechend auch nicht durchströmbar für die zu filtrierende Flüssigkeit und das Gas gestaltet. Es weist daher nur einen Membranträger 96 mit darin befestigten, zu einem Permeatsammelraum 97 hin offen eingeharzten Hohlfasermembranen 98 und einen an den Permeatsammelraum 97 anschließenden Permeatauslass 99 auf zum Sammeln und Abführen eines Teils des entstehenden Permeates aus den Hohlfasermembranen 98. Der andere Teil des Permeates wird aus einem zu dem des dritten Membranfilters 71 identischen Fußelement 100 abgeführt. Auch der fünfte Membranfilter 92 kann aufgrund der offenen Gestaltung zwischen dem Rohr 93 und dem Kopfelement 94 nur im Tauchbetrieb eingesetzt werden.
  • Figur 7d zeigt einen sechsten erfindungsgemäßen Membranfilter 101. Dieser weist ein Fußelement 102 und ein Kopfelement 103 auf, die identisch sind zu denen des vierten Membranfilters 83 und die über ein durchgehend geschlossenes Rohr 104 verbunden sind. Der sechste erfindungsgemäße Membranfilter 101 ist für den trocken aufgestellten Betrieb konzipiert. Dabei wird an das Fußelement 102 eine erste Flüssigkeitsleitung 105 angeschlossen zum Einlassen der zu filtrierenden Flüssigkeit von unten in das Fußelement 102. Weiterhin schließt an das Kopfelement 103 eine zweite Flüssigkeitsleitung 106 oben an zum Auslassen der Flüssigkeit und des Gases aus dem sechsten Membranfilter 101.
  • Die Figuren 8a bis 8c zeigen Schnitte durch Fußelemente von drei weiteren erfindungsgemäßen Membranfiltern mit Varianten des Gaseinlasses und der Höhe des Strömungsraums, die aus dem Überschneidungsbereich der Höhen von Mantel und Membranträger gebildet wird.
  • Figur 8a zeigt einen Schnitt durch ein Fußelement 107 eines siebten erfindungsgemäßen Membranfilters, bei dem das Fußelement 107 einen Gaseinlass 108 aufweist und dieser auf einer Innenseite des Mantels 109 als Rohrstutzen 110 bis zur Mitte des Fußelementes 107 weitergeführt wird, wo das Gas zentral unterhalb eines Membranträgers 111 ausströmt und diesen anschließend umströmt. Der Mantel 109 des Fußelementes 107 ragt oben und unten über den Membranträger 111 hinaus, so dass die durch den Überschneidungsbereich der Höhen von Mantel 109 und Membranträger 111 definierte Höhe 112 des Strömungsraums in diesem Fall mit der Höhe des Membranträgers 111 identisch ist.
  • Figur 8b zeigt einen Schnitt durch das Fußelement 113 eines achten erfindungsgemäßen Membranfilters, bei dem das Fußelement 113 nicht den Gaseinlass 114 aufweist. Das Gas wird hier separat vom Fußelement 113 von unten zentral unterhalb des Membranträgers 115 über den Gaseinlass 114 zuführt und umströmt anschließend den Membranträger 115. Die Abmessungen des Mantels 116 des Fußelementes 113 sind oben und unten bündig mit denen des Membranträgers 115, so dass die Höhe 117 des Strömungsraums in diesem Fall mit der Höhe des Membranträgers 115 und der Höhe des Mantels 116 übereinstimmt.
  • Figur 8c zeigt einen Schnitt durch das Fußelement 118 eines neunten erfindungsgemäßen Membranfilters, bei dem der Gaseinlass 119 identisch ist mit dem des achten erfindungsgemäßen Membranfilters. Der Membranträger 120 des Fußelementes 118 ragt oben und unten über den Mantel 121 hinaus, so dass die durch den Überschneidungsbereich der Höhen von Membranträger 120 und Mantel 121 definierte Höhe 122 des Strömungsraums in diesem Fall mit der Höhe des Mantels 121 identisch ist.
  • Die Figuren 9a bis 9c zeigen Varianten der Form des Membranträgers in weiteren erfindungsgemäßen Membranfiltern. Diese Varianten können in allen zuvor gezeigten erfindungsgemäßen Membranfiltern realisiert werden.
  • Figur 9a zeigt ein Fußelement 123 eines zehnten erfindungsgemäßen Membranfilters, das einen Mantel 124 aufweist mit einem darin befindlichen, nur über eine Ankerstelle 125 mit dem Mantel 124 verbundenen Membranträger 126. Zwischen dem Mantel 124 und dem Membranträger 126 befindet sich ein Strömungsraum 127 mit Ausbuchtungen 128 in den Membranträger 126 hinein. Der Membranträger 126 verschließt das Fußelement 123 bis auf den einen Strömungsraum 127 vollständig für die Durchströmung des Gases und der zu filtrierenden Flüssigkeit.
  • Figur 9b zeigt ein Fußelement 129 eines elften erfindungsgemäßen Membranfilters, das einen Mantel 130 aufweist mit einem darin befindlichen, nur über eine Ankerstelle 131 mit dem Mantel 130 verbundenen Membranträger 132. Der Membranträger 132 enthält 7 Membranbündel 133, von denen sechs ähnlich einer Blütenstruktur um ein zentrales Membranbündel 133 angeordnet sind. Zwischen dem Mantel 130 und dem Membranträger 132 befindet sich ein Strömungsraum 134. Der Membranträger 132 verschließt das Fußelement 129 bis auf den einen Strömungsraum 134 vollständig für die Durchströmung des Gases und der zu filtrierenden Flüssigkeit.
  • Figur 9c zeigt ein Fußelement 135 eines zwölften erfindungsgemäßen Membranfilters, das einen Mantel 136 aufweist mit einem darin befindlichen, nur über eine Ankerstelle 137 mit dem Mantel 136 verbundenen Membranträger 138, der 4 Finger 139 aufweist, die über einen Anker 140 miteinander verbunden und an der Ankerstelle 137 befestigt sind. Zwischen dem Mantel 136 und dem Membranträger 138 befindet sich ein Strömungsraum 141 mit Ausbuchtungen 142 in den Membranträger 138 hinein, die bis zum Anker 140 führen. Der Membranträger 138 verschließt das Fußelement 135 bis auf den einen Strömungsraum 141 vollständig für die Durchströmung des Gases und der zu filtrierenden Flüssigkeit.
  • In den Figuren sind
    • 1
    Membranfilter
    2
    Fußelement
    3
    Mantel
    4
    Membranträger
    5
    Hohlfasermembran
    6
    Rohr
    7
    oberes Ende
    8
    Länge
    9
    Harzschicht
    10
    Höhe Membranfilter
    11
    Höhe Fußelement
    12
    Höhe Membranträger
    13
    Gaseinlass
    14
    Permeatauslass
    15
    Ankerstelle
    16
    Strömungsraum
    17
    Auslass
    18
    Gasverteilsystem
    19
    Wanne
    20
    Wandung
    21
    vertikaler Schlitz
    22
    Innenkante
    23
    untere Hälfte
    24
    Winkel
    25
    Permeatsammelraum
    26
    Gas
    27
    Gaspolster
    28
    zu filtrierende Flüssigkeit
    29
    Permeat
    30
    Flüssigkeitsüberstand
    31
    Gaszuführleitung
    32
    Drossel
    33
    Permeatleitung
    34
    erste Flüssigkeitsleitung
    35
    zweite Flüssigkeitsleitung
    36
    Membranfilter
    37
    zu filtrierende Flüssigkeit
    38
    Gas
    39
    Fußelement
    40
    Mantel
    41
    Membranträger
    42
    Ankerstelle
    43
    Hohlfasermembran
    44
    Permeat
    45
    Rohr
    46
    Gaseinlass
    47
    Permeatsammelraum
    48
    Permeatauslass
    49
    Höhe
    50
    Höhe
    51
    Harzschicht
    52
    oberes Ende
    53
    Strömungsraum
    54
    Auslass
    55
    Ausbuchtung
    56
    Anker
    57
    Finger
    58
    Strömungskanal
    59
    Breite
    60
    Durchmesser
    61
    Höhe
    62
    Gasverteilsystem
    63
    Wanne
    64
    Wandung
    65
    Schlitz
    66
    Gasleitkanal
    67
    Rippe
    68
    Innenkante
    69
    Hälfte
    70
    Winkel
    71
    Membranfilter
    72
    Fußelement
    73
    Rohr
    74
    Hohlfasermembran
    75
    Kopfelement
    76
    Mantel
    77
    Membranträger
    78
    Ankerstelle
    79
    Harzschicht
    80
    Permeatsammelraum
    81
    Permeatauslass
    82
    Strömungsraum
    83
    Membranfilter
    84
    Rohr
    85
    Fußelement
    86
    Rohraufsatz
    87
    Öffnung
    88
    Kopfelement
    89
    Hohlfasermembran
    90
    Permeatsammelraum
    91
    Permeatauslass
    92
    Membranfilter
    93
    Rohr
    94
    Kopfelement
    95
    Rohrerweiterung
    96
    Membranträger
    97
    Permeatsammelraum
    98
    Hohlfasermembran
    99
    Permeatauslass
    100
    Fußelement
    101
    Membranfilter
    102
    Fußelement
    103
    Kopfelement
    104
    Rohr
    105
    erste Flüssigkeitsleitung
    106
    zweite Flüssigkeitsleitung
    107
    Fußelement
    108
    Gaseinlass
    109
    Mantel
    110
    Rohrstutzen
    111
    Membranträger
    112
    Höhe
    113
    Fußelement
    114
    Gaseinlass
    115
    Membranträger
    116
    Mantel
    117
    Höhe des Strömungsraums
    118
    Fußelement
    119
    Gaseinlass
    120
    Membranträger
    121
    Mantel
    122
    Höhe des Strömungsraums
    123
    Fußelement
    124
    Mantel
    125
    Ankerstelle
    126
    Membranträger
    127
    Strömungsraum
    128
    Ausbuchtung
    129
    Fußelement
    130
    Mantel
    131
    Ankerstelle
    132
    Membranträger
    133
    Membranbündel
    134
    Strömungsraum
    135
    Fußelement
    136
    Mantel
    137
    Ankerstelle
    138
    Membranträger
    139
    Finger
    140
    Anker
    141
    Strömungsraum
    142
    Ausbuchtung

Claims (11)

  1. Membranfilter (36 ,71, 83, 92, 101) zum Filtern einer zu filtrierenden Flüssigkeit (37) mit
    a. einem nach unten offenen, von einem Gas (38) und der Flüssigkeit (37) durchströmbaren Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135), das einen rohrförmigen Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) und genau einen darin befindlichen Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) aufweist, wobei der Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) mit dem Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) über mindestens eine Ankerstelle (42, 78, 125, 131, 137) verbunden ist,
    b. oben in dem Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) befestigten Hohlfasermembranen (43, 74, 89, 98) mit jeweils einem Lumen, in das ein flüssiges Permeat (44) aus der Flüssigkeit (37) filtrierbar ist,
    c. einem im Umfang geschlossenen Rohr (45, 73, 84, 93, 104), das an den Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) oben anschließend die Hohlfasermembranen (43, 74, 89, 98) umgibt,
    d. einem Gaseinlass (46, 108, 114, 119) zum Einlassen des Gases (38) in das Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135),
    e. mindestens einem Permeatsammelraum (47, 80, 90, 97), der mit den Lumen der Hohlfasermembranen (43, 74, 89, 98) verbunden ist zum Sammeln des Permeats (44) aus den Hohlfasermembranen (43, 74, 89, 98),
    f. mindestens einem Permeatauslass (48, 81, 91, 99) zum Ablassen des Permeats (44) aus dem mindestens einen Permeatsammelraum (47, 80, 90, 97) und
    g. mindestens einem nach unten offenen Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) zwischen dem Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) und dem Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) zum Durchströmen der Flüssigkeit (37), der oben einen Auslass (54) aufweist zum Auslassen der Flüssigkeit (37) in das Rohr (45, 73, 84, 93, 104), wobei der mindestens eine Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) in jedem horizontalen Schnitt durch den Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) sowohl an den Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) als auch an den Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) grenzt und als Ringspalt den Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) umgibt, der nur durch die mindestens eine Ankerstelle (42, 78, 125, 131, 137) unterbrochen wird, wobei eine Höhe (112, 117, 122) des Strömungsraums (53, 82, 127, 134, 141) durch einen Überschneidungsbereich einer Höhe (12, 61) des Membranträgers (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) und einer Höhe des Mantels (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) definiert ist, und wobei der Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) das Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) bis auf den mindestens einen Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) für die Durchströmung der Flüssigkeit (37) von unten nach oben vollständig verschließt,
    h. wobei das Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) in Folge vom Gaseinlass (46, 108, 114, 119) durch den mindestens einen Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) bis zum Auslass (17, 54) durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    i. der mindestens eine Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) in den Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) hineinragende Ausbuchtungen (55, 128, 142) aufweist.
  2. Membranfilter (36 ,71, 83, 92, 101) nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) Finger (57, 139) aufweist, die durch die Ausbuchtungen (55, 128, 142) ausgebildet werden und die über einen Anker (56, 140) des Membranträgers (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) verbunden sind.
  3. Membranfilter (36 ,71, 83, 92, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) über maximal zwei Ankerstellen (42, 78, 125, 131, 137) mit dem Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) verbunden ist, die in Verlängerung des Ankers (56, 140) stehen.
  4. Membranfilter (36 ,71, 83, 92, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) in jedem der horizontalen Schnitte oberhalb der mindestens einen Ankerstelle (56, 140) vollständig vom Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) getrennt ist.
  5. Membranfilter (36 ,71, 83, 92, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) in mindestens einem der horizontalen Schnitte mindestens einen Strömungskanal (58) ausbildet, der über mehr als 80 % seiner Länge eine einheitliche Breite aufweist.
  6. Membranfilter (36 ,71, 83, 92, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) in den horizontalen Schnitten einen sich nach unten verringernden Querschnitt aufweist.
  7. Membranfilter (36 ,71, 83, 92, 101) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) den Gaseinlass (46, 108, 114, 119) aufweist zum Einlassen des Gases (38) in das Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135).
  8. Verfahren zum Filtern einer Flüssigkeit (37) in einem Membranfilter (36, 71, 83, 92, 101), wobei der Membranfilter (36 ,71, 83, 92, 101) ein Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135), ein im Umfang geschlossenes Rohr (45, 73, 84, 93, 104) und einen Gaseinlass (46, 108, 114, 119) aufweist, wobei das Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) einen rohrförmigen Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) und genau einen darin befindlichen, mit dem Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) über mindestens eine Ankerstelle (42, 78, 125, 131, 137) verbundenen Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) aufweist, in dem oben Hohlfasermembranen (43, 74, 89, 98) befestigt sind, wobei das Rohr (45, 73, 84, 93, 104) sich oben an den Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) anschließt, wobei das Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) zwischen Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) und Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) mindestens einen Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) aufweist, der oben einen Auslass (54) aus dem Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) in das Rohr (45, 73, 84, 93, 104) aufweist, wobei der mindestens eine Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) in jedem horizontalen Schnitt durch den Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) sowohl an den Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) als auch an den Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) grenzt und als Ringspalt den Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) umgibt, der nur durch die mindestens eine Ankerstelle (42, 78, 125, 131, 137) unterbrochen wird, wobei eine Höhe (112, 117, 122) des Strömungsraums (53, 82, 127, 134, 141) durch einen Überschneidungsbereich einer Höhe (12, 61) des Membranträgers (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) und einer Höhe des Mantels (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130, 136) definiert ist, und wobei der Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) das Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) bis auf den mindestens einen Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) vollständig für die Durchströmung der Flüssigkeit (37) von unten nach oben verschließt, und wobei
    a. die Flüssigkeit (37) in das Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) einströmt, den mindestens einen Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) durchströmt und dabei den Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) umströmt,
    b. ein Gas (38) durch den Gaseinlass (46, 108, 114, 119) in das Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) einströmt,
    c. die Flüssigkeit (37) nur durch den Auslass (54) oben am Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) ausströmt und nur durch diesen in das Rohr (45, 73, 84, 93, 104) einströmt,
    d. das Gas (38) oben am Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) ausströmt, in das Rohr (45, 73, 84, 93, 104) einströmt und in dem Rohr (45, 73, 84, 93, 104) aufsteigt und dadurch eine Aufwärtsbewegung der Flüssigkeit (37) in dem Membranfilter (36 ,71, 83, 92, 101) generiert,
    e. die aufsteigende Flüssigkeit (37) und das Gas (38) die Hohlfasermembranen (43, 74, 89, 98) außen spülen,
    f. zwischen einer Außenseite der Hohlfasermembranen (43, 74, 89, 98) und Lumen der Hohlfasermembranen (43, 74, 89, 98) eine Druckdifferenz anliegt, aufgrund derer ein flüssiges Permeat (44) aus der Flüssigkeit (37) filtriert wird und in die Lumen der Hohlfasermembranen (43, 74, 89, 98) strömt,
    g. das Permeat (44) aus den Lumen gesammelt wird und aus dem Membranfilter (36 ,71, 83, 92, 101) ausströmt,
    h. das Gas (38) durch den Gaseinlass (46, 108, 114, 119) in den mindestens einen Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) einströmt, und anschließend
    i. das Gas (38) gemeinsam mit der Flüssigkeit (37) das Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) in dem mindestens einen Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) zwischen dem Mantel (40, 76, 109, 116, 121, 124, 130,136) und dem Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) durchströmt und durch den Auslass (54) in das Rohr (45, 73, 84, 93, 104) einströmt,
    j. wobei der mindestens eine Strömungsraum (53, 82, 127, 134, 141) in den Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) hineinragende Ausbuchtungen (55, 128, 142) aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (37) und das Gas (38) den Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) in mindestens einem der horizontalen Schnitte durch den Membranträger (41, 77, 96, 111, 115, 120, 126, 132, 138) vollständig umströmen.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranfilter (36 , 71, 83, 92, 101) in die Flüssigkeit (37) getaucht ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (37) mittels einer ersten Flüssigkeitsleitung (105) dem Fußelement (39, 72, 85, 100, 102, 107, 113, 118, 123, 129, 135) zugeführt und mittels einer zweiten Flüssigkeitsleitung (106) oben aus dem Membranfilter (36 ,71, 83, 92, 101) abgeführt wird.
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